INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Acción derivativa .

La tercer respuesta encontrada en controladores es la acción derivativa, la acción derivativa es una de las tres acciones básicas que se pueden encontrar en los controladores industriales. Esta acción se basa en la medida de la tasa de cambio de la señal de error (es decir, la diferencia entre el valor deseado y el valor real del proceso controlado) y utiliza esta información para ajustar la señal de control. En general, la acción derivativa se utiliza para mejorar la estabilidad del sistema y reducir la sobrepresión en la respuesta del controlador. Sin embargo, también puede aumentar la sensibilidad del controlador a las perturbaciones del proceso y aumentar el ruido de la señal. Por lo tanto, la acción derivativa se utiliza generalmente en combinación con otras acciones (proporcional e integral) para lograr un control óptimo del proceso.

El control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) es un tipo de controlador que combina las tres acciones de control que se mencionaron anteriormente: proporcional, integral y derivativa. Es uno de los métodos de control más utilizados en la industria debido a su eficacia en la regulación de procesos y sistemas.

En términos simples, el control PID calcula una salida de control en función de tres términos: el término proporcional (que es proporcional al error actual), el término integral (que es proporcional a la acumulación de errores pasados) y el término derivativo (que es proporcional a la tasa de cambio del error actual). La suma de estos tres términos es la salida de control que se envía al proceso para corregir el error.

El término proporcional proporciona una respuesta rápida y precisa a las perturbaciones del proceso, el término integral ayuda a eliminar errores de offset o bias y el término derivativo ayuda a mejorar la estabilidad del sistema y a reducir la sobreoscilación o "overshoot" en la respuesta del proceso.

La configuración óptima del control PID depende del proceso o sistema que se está controlando y puede requerir ajustes en los valores de las constantes proporcional, integral y derivativa para lograr una respuesta deseada.

Así como la respuesta proporcional responde al tamaño del error y el reset responde al tamaño y duración del error , el modo derivativo responde a la cuan rápido cambia el error . En la figura 12 , dos respuestas derivativas son mostradas .

La primera es una respuesta a un corte en la medición alejada del valor de consigna . Para un escalón , la medición cambia en forma infinitamente rápida , y el modo derivativo del controlador produce un cambio muy grande y repentino en la salida , que muere inmediatamente debido a que la medición ha dejado de cambiar luego del escalón . La segunda respuesta muestra la respuesta del modo derivativo a una medición que está cambiando a un régimen constante . La salida derivativa es proporcional al régimen de cambio de éste error . Cuanto mayor sea el cambio , mayor será la salida debido a la acción derivativa . La acción derivativa mantiene ésta salida mientras la medición esté cambiando . Tan pronto como la medición deja de cambiar , esté o no en el valor de consigna , la respuesta debido a la acción derivativa cesará . Entre todas las marcas  de controladores , la respuesta derivativa es comúnmente medida en minutos como se indica en la figura 13 .

El tiempo derivativo en minutos es el tiempo que la respuesta proporcional del lazo abierto mas la respuesta derivativa está delante de la respuesta resultante del valor proporcional solamente . Así , cuanto mas grande sea el número derivativo mayor será la respuesta derivativa . Los cambios en el error son un resultado de los cambios tanto en el valor de consigna como en la medición o en ambos . Para evitar un gran pico causado por las escalones de cambio en el valor de consigna , la mayoría de los controladores modernos aplican la acción derivativo sólo a cambios en la medición .La acción derivativa  en los controladores ayuda a controlar procesos con constantes de tiempo especialmente grandes y tiempo muerto significativo , la acción derivativa es innecesaria en aquellos procesos que responden rápidamente al movimiento de la válvula de control , y no puede ser usado en absoluto en procesos con ruido en la señal de medición , tales como caudal , ya que la acción derivativa en el controlador responderá a los cambios bruscos en la medición que el mismo observa en el ruido . Esto causará variaciones rápidas y grandes en la salida del controlador , lo que hará que la válvula esté constantemente moviéndose hacia arriba o hacia abajo , produciendo un desgaste innecesario en la misma .

La figura 14 muestra un acción combinada de respuesta proporcional , reset y acción derivativa para la medición de temperatura de un intercambiador de calor simulado que se desvía del valor de consigna debido a un cambio de carga . Cuando la medición comienza a desviarse del valor de consigna , la primera respuesta del controlador es una respuesta derivativa proporcional al régimen de variación de la medición que se opone al movimiento de la medición al alejarse del valor de consigna . La respuesta derivativa es combinada con la respuesta proporcional agregada , a medida que el reset en el controlador ve el error incrementarse , el mismo controla la válvula mas fuerte aún . La acción continúan hasta que la medición deja de cambiar , entonces la acción derivativa se detiene  . Dado que existe aún un error , la medición continúa cambiando debido al reset , hasta que la medición comienza a retornar hacia el valor de consigna . Tan pronto como la medición comienza a moverse retornando hacia el valor de consigna , aparece una acción derivativa proporcional al régimen de cambio en la variación oponiéndose al retorno de la medición hacia el valor de consigna . La acción integral o reset continúa debido a que aún existe un error , a pesar de que su contribución disminuye con el error . Además , la salida debido al valor proporcional está cambiando . Así , la medición retorna hacia el valor de consigna . Tan pronto como la medición alcanza el valor de consigna y deja de cambiar , la acción derivativa cesa nuevamente y la salida proporcional vuelve al 50%. Con la medición nuevamente en su valor de consigna , no existen mas respuestas a variaciones debidas al reset . Sin embargo , la salida está ahora a un nuevo valor . El nuevo valor es el resultado de la acción de reset durante el tiempo en que la medición se alejó del valor de consigna , y compensa el cambio de carga que fue causado por la alteración original .

Conclusión .

Este artículo ha descrito las respuestas a controladores de tres modos cuando los mismos son usados en el comando de lazos realimentados de mediciones industriales . El lector deberá tener un claro concepto de los siguientes puntos .

1. Para alcanzar el control automático , el lazo de control deberá estar cerrado .
2. Para tener una lazo realimentado de control estable , el ajuste mas importante del controlador es la selección de la acción correcta , sea directa o inversa . La incorrecta selección de ésta acción hará que la salida del controlador sea inestable , y por lo tanto la elección correcta hará que la salida del controlador cambie de tal manera que el movimiento de la válvula se oponga a cualquier cambio en la medición detectada por el controlador .
3. El valor correcto de los ajustes de banda proporcional , reset , y tiempo derivativo dependen de las características del proceso , cabe consignar que en los controladores actuales dichos valores se pueden detectar en forma automática , ya que el controlador dispone de un modo en que produce alteraciones controladas , y dentro de ciertos límites establecidos previamente por el operario , en la salida se  miden los resultados del proceso para una cierta cantidad de ciclos de alteración , en base a éste comportamiento puede detectar cuál es el mejor conjunto de ajustes para controlar un proceso mediante el software interno del aparato . 
4. La función del modo reset (también llamado acción integral ) es para eliminar el offset . Si mucho valor de offset es usado es resultado será una oscilación de la medición cuando el controlador acciona la válvula de un extremo al otro . Si un valor muy bajo de reset es usado , el resultado será que la medición retorna al valor de consigna mas lentamente que lo posible .
5. El modo derivativo se opone a cualquier cambio en la medición . Una acción derivativa muy pequeña no tiene efecto significativo , una acción con valores muy altos provoca una respuesta excesiva del controlador y un ciclo en la medición .