← Volver Control · Parcial 2 · Taller 16
0 / 7
Taller 16 · Control

El PID desarmado

Un PID mira el error de tres formas: la P mira el presente, la I mira el pasado y la D mira hacia dónde va. Al final suma lo que dice cada uno. En este taller desarmas esa suma y miras qué hace cada pedazo, solo y acompañado.

⏱ 60 minutos
De dónde sale esto. Dorf & Bishop, Sistemas de Control Moderno, sección 7.6 (controladores PID) y 5.7 (error en estado estacionario), Unidad 3 del programa 2026-II de Mojica-Nava. Las plantas son las mismas de todo el Parcial 2. Todo número se comprobó en verif/verif_control_p2.py con python-control.
En este taller

1 Para qué sirve esto y cuándo se usa

Hasta el Parcial 1 el controlador era casi siempre una ganancia K. Con una sola perilla no puedes pedir al mismo tiempo «rápido», «sin pasarse» y «sin error»: subir K arregla una cosa y daña otra. El PID trae tres perillas, y cada una arregla un problema distinto.

Más del 90 % de los lazos de control de la industria son PID. En el Parcial 2 te van a pedir explicar qué hace cada término, escoger ganancias para una especificación y decir qué pasa si subes una de ellas.

Ruta para cualquier pregunta de «qué hace esta ganancia»
  1. Escribe la ley de control con los tres términos y señala cuál cambió.
  2. Di qué «mira» ese término: el error ahora (P), el error acumulado (I) o la velocidad del error (D).
  3. Tradúcelo a la salida: más empuje, menos error final o menos sobreimpulso.
  4. Comprueba en el simulador con la planta del enunciado.

2 El simulador: mueve las tres perillas

Escoge la planta y mueve K_p, K_i y K_d. Arriba ves la salida y(t) ante un escalón unitario. Abajo ves la señal de control u(t) partida en sus tres pedazos, cada uno con su color.

La D usa un filtro, K_d s/(T_f s+1) con T_f=K_d/(10K_p), como cualquier PID real. Sin filtro, el pico de u_D en t=0 sería infinito.

Prueba esto

1) Primer orden con el atajo P: sube K_p de 1 a 9 y mira el error final bajar de 0,5 a 0,1 sin llegar a cero. 2) Atajo PI: el error se va a cero; la curva a rayas u_I es la que termina sosteniendo la planta. 3) Motor con el atajo P: el error ya es cero con solo P. 4) Tercer orden con el atajo P y K_p=8: la salida oscila sin crecer ni apagarse.

3 La ley de control, pieza por pieza

El error es lo que te falta para llegar: e(t)=r(t)-y(t). El controlador lo recibe y entrega la señal de control u(t), que es lo que de verdad mueve la planta (un voltaje, un PWM, la apertura de una válvula).

\begin{gathered}u(t)=\underbrace{K_p\,e(t)}_{u_P}+\underbrace{K_i\!\int_0^t e(\tau)\,d\tau}_{u_I}\\ {}+\underbrace{K_d\,\frac{de(t)}{dt}}_{u_D}\end{gathered}

Con Laplace y condiciones iniciales cero, cada pieza se vuelve un bloque, y los tres van en paralelo («paralelo suma»):

\begin{gathered}C(s)=\frac{U(s)}{E(s)}=K_p+\frac{K_i}{s}+K_d\,s\\ =\frac{K_d s^2+K_p s+K_i}{s}\end{gathered}
Qué significa cada símbolo
e(t)
el error, lo que falta para llegar [las de la salida]
u(t)
la señal de control que sale del PID [las del actuador: V, %, …]
K_p
ganancia proporcional [u ÷ e]
K_i
ganancia integral [u ÷ (e·s)]
K_d
ganancia derivativa [u·s ÷ e]
C(s)
el controlador como bloque [u ÷ e]

Qué hace cada uno, en la física

  1. P empuja en proporción al error. Si te falta mucho, empuja mucho. Si te falta poco, empuja poco. Por eso con solo P casi siempre queda un error: cuando el error se acerca a cero, el empuje también, y ya no alcanza para sostener la planta donde la quieres.
  2. I acumula el error que va quedando. Mientras haya error, u_I sigue creciendo, aunque el error sea pequeño. Solo deja de cambiar cuando e=0. Si el sistema se queda quieto y es estable, tiene que ser con error cero.
  3. D reacciona a la velocidad del error. Si el error baja rápido, la D frena antes de llegar, como soltar el acelerador antes del semáforo. Un error constante tiene derivada cero, así que la D nunca corrige el error en estado estacionario.
Mnemotecnia «Presente, pasado, futuro.» P mira el error de ahora, I el que se acumuló y D hacia dónde va. Se comprueba en la gráfica de abajo del simulador: u_P tiene la forma del error, u_I crece mientras haya error y u_D solo se mueve cuando el error cambia.
Lo que te llevas

Tres términos en paralelo: C(s)=K_p+K_i/s+K_d s. Un polo en el origen (si hay I) y dos ceros.

4 Qué hace cada ganancia con la respuesta

Si subes…Tiempo de subida t_rSobreimpulso M_pAsentamiento t_sError e_{ss}
K_pbajasubecambia pocobaja, sin llegar a 0
K_ibajasubesubese vuelve 0
K_dcambia pocobajabajano lo toca
La tabla es una tendencia, no una ley

En el tercer orden con K_p=2, sube K_d desde 0: el sobreimpulso baja de 30 % a 15 % con K_d=2. Si sigues, vuelve a subir: 35 % con K_d=4 y 60 % con K_d=6. Demasiada D también desestabiliza. En el examen escribe «tiende a» y justifica con la física.

Chequeo: mira u, no solo y Si la salida se ve perfecta pero el pico de u es 50 veces el valor final, ese diseño no sirve: el actuador se satura (Taller 23). El simulador te muestra u_{max} en el tablero.

5 Por qué la I mata el error (y la D no)

El error ante un escalón unitario con realimentación unitaria es

\begin{gathered}e_{ss}=\frac{1}{1+K_{pos}}\\ K_{pos}=\lim_{s\to0}C(s)\,G(s)\end{gathered}
  1. Solo P, primer orden. C\,G=\dfrac{K_p}{s+1}, así que K_{pos}=K_p y e_{ss}=\dfrac{1}{1+K_p}. Con K_p=9: 0{,}1. Nunca cero: el sistema es tipo 0.
  2. Con I. C\,G=\dfrac{K_p s+K_i}{s}\cdot\dfrac{1}{s+1}: apareció una s en el sótano. K_{pos}=\infty y e_{ss}=0.
  3. Con D. C\,G=\dfrac{K_p+K_d s}{s+1}: en s=0 la D vale cero. K_{pos} sigue siendo K_p.
Qué significa cada símbolo
e_{ss}
error en estado estacionario [las de la salida]
K_{pos}
constante de error de posición del lazo abierto C\,G [sin unidades]
Primero polos, después valor final

Con I la cuenta da e_{ss}=0 siempre, pero solo vale si el lazo cerrado es estable. En el tercer orden con K_p=4 y K_i=4 el lazo es inestable: la fórmula dice «cero» y la salida crece sin parar. Compruébalo en el simulador.

Mnemotecnia «La I sube un escalón, la D no sube nada.» Es la del Taller 8 («cada integrador te sube un escalón») aplicada al PID: la I agrega un integrador y sube el tipo en uno; la D agrega una s arriba, que en s=0 vale cero.

6 Problemas resueltos

Error con solo P en el primer orden

Enunciado

G=\dfrac{1}{s+1}, solo P, realimentación unitaria. ¿Qué K_p deja un error de 5 % ante un escalón unitario? ¿Qué pasa con la constante de tiempo?

La ganancia crítica del tercer orden

Enunciado

G=\dfrac{1}{(s+1)^3} con solo P. ¿Hasta qué K_p es estable? ¿Con qué frecuencia oscila en el límite?

7 Ahora tú

Tres ejercicios. Los tres se pueden comprobar en el simulador de la sección 2.

8 Ponte a prueba

9 La receta para el día del parcial

  1. Escribe C(s)=K_p+K_i/s+K_d s y marca qué términos tiene el enunciado.
  2. Para el error: cuenta las s del sótano de C\,G. La I suma una.
  3. Antes de usar el valor final, comprueba que el lazo cerrado es estable (Routh si hay una ganancia suelta).
  4. Para «qué pasa si sube…»: di qué mira ese término (presente, pasado, futuro) y tradúcelo a t_r, M_p, t_s o e_{ss}.
  5. Mira también u: una respuesta bonita con un u imposible no es un diseño.
Si solo te llevas dos frases

1. «Presente, pasado, futuro.»

2. «La I sube un escalón, la D no sube nada.»

Responde las siete preguntas para cerrar el taller.

Siguiente: Taller 17 · Polos y ceros del PID →

← Volver al panel