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Experimento 007 / Robótica y control

Simulador PID

Ajusta P, I y D y observa un proceso de primer orden con límites, muestreo y protección de la integral.

Mesa de trabajo / Modelo explícito ● En tu navegador
01 / Ajusta el modelo

Las barras de rango amplio usan escala logarítmica. El cero, cuando se admite, tiene su propia posición. Escribe un número para usar un valor exacto.

—
1/s
s
u.a.
Planta, muestreo y límites
—
s
s
s
s
u.a.
u.a.
Prueba un ejemplo

02 / Respuesta de la planta

Continuo: salida y. Discontinuo: referencia r. Ambos en unidades arbitrarias (u.a.). Usa el marcador o haz clic en la gráfica.

s
Tiempo 0 s
Salida y 0
Error r − y 1
Orden aplicada 2
Aporte P 2
Aporte I 0
Aporte D 0
Error al final —
Tiempo saturado —

La planta parte del reposo: y(0) = 0 e integral inicial nula. La orden u se mantiene constante entre muestras.

Orden aplicada al proceso

Modelo: τ dy/dt + y = K u. La animación recorre la simulación en 8 segundos de pantalla y se puede pausar.

Úsala en tu clase

Comparte este ejercicio con sus valores actuales. El enlace lleva únicamente números y opciones del modelo; no añadas nombres ni correos.

El código incluye un enlace de texto a la explicación completa, fuera del recuadro. La animación se abre pausada. Ajusta la altura del iframe si tu plataforma lo necesita.

Por qué un control P puede quedarse corto

Elige «Solo P»: Kp = 1, Ki = Kd = 0, K = 1, τ = 1 s y referencia r = 1. Al estabilizarse, la planta cumple y = u y el controlador u = 1 − y. Por tanto, y = 0.5 y el error es 0.5. No es un fallo numérico: el control necesita ese error para mantener una orden distinta de cero.

El ejemplo PI acumula el error mientras exista y puede alcanzar la referencia si los límites del actuador lo permiten. No hay una ganancia universalmente «mejor»: importa el proceso, la velocidad de muestreo y lo que el actuador puede hacer.

El modelo que realmente se está simulando

Planta: τ dy/dt + y = K u
e[k] = r − y[k]
u libre[k] = Kp e[k] + I[k] − Kd v[k]
u[k] = limitar(u libre[k], mínimo, máximo)
v[k] = v[k−1] + α ((y[k]−y[k−1])/h − v[k−1])
α = h / (Tf + h)
I[k+1] = I[k] + Ki e[k] h, salvo bloqueo
y[k+1] = e^(−h/τ) y[k] + K (1−e^(−h/τ)) u[k]

Primero se calcula la orden de la muestra actual; después se actualizan integral y planta. La derivada actúa sobre la medida, no sobre la referencia, y lleva un filtro de primer orden. Inicialmente y, I y v valen cero. Kp y K son adimensionales, Ki está en s⁻¹ y Kd y Tf en segundos; y y u usan unidades arbitrarias normalizadas.

Para terminar exactamente en la duración T elegida se usan N = techo(T / paso máximo) intervalos y h = T/N. El h efectivo se muestra debajo de la gráfica. Se admiten hasta 20 000 intervalos y un paso máximo no mayor que τ/10.

El actuador también tiene límites

Cuando la orden ya está en el límite superior y el error pide aumentarla, la protección de integral congela I. Hace lo equivalente en el límite inferior. Permite integrar si el error ayuda a salir de la saturación. Desactívala en «Referencia inalcanzable» y observa cómo crece I sin que la salida pueda alcanzar el objetivo.

Este proceso es de primer orden, sin retardo, ruido, fricción ni perturbaciones externas. La evolución de la planta es exacta para una orden constante entre muestras; el controlador sí es discreto. La respuesta no valida ganancias para un robot real. Las gráficas se ajustan a su rango y no comparten necesariamente escala vertical.

Errores frecuentes

  • Confundir la orden u con la salida medida y.
  • Creer que aumentar Ki supera un límite físico del actuador.
  • Comparar dos respuestas sin revisar τ, h y los límites.
  • Suponer que una derivada grande siempre mejora la estabilidad.

Compruébalo tú

Con Kp = 2, Ki = Kd = 0 y K = 1, ¿a qué valor tiende y?

y = 2(1 − y), por tanto y = 2/3. El error final es 1/3.

Si K = 1 y la orden máxima es 1, ¿puede mantenerse y = 5?

No. La salida estacionaria máxima es K × u máximo = 1. Una integral creciente no cambia ese límite.

Referencia de concepto: integración condicional y saturación, MathWorks. La implementación y los ejemplos de OhmPlay usan el modelo declarado arriba, sin retardo.