Evaluación de los controladores: PID y regulador cuadrático lineal (LQR) aplicado al módulo de control de temperatura MCT-02

Abstract

El control de la temperatura es una variable fundamental en los procesos de transferencia de calor debido a su impacto en la calidad del producto, la eficiencia energética y la estabilidad operativa. En este contexto, el Módulo de Control de Temperatura MCT-02 presenta una dinámica compleja, caracterizada por alta inercia térmica y tiempo muerto, lo que dificulta su regulación precisa. El objetivo de este trabajo fue modelar, diseñar e implementar estrategias de control para optimizar el proceso de calentamiento de agua en el tanque TK-1. Inicialmente, se diagnosticó el sistema, identificándose su operación en modo manual; se desarrolló un modelo matemático mediante balances de energía e identificación experimental, obteniéndose una representación adecuada del comportamiento real del proceso. Con base en este modelo, se diseñaron controladores PI, PID y LQR, evaluados bajo una referencia fija de 50 °C. Los resultados mostraron que el controlador LQR presentó el mejor desempeño, con mayor estabilidad, menor error en estado estacionario y menor oscilación. El controlador PI obtuvo resultados aceptables, aunque con mayor tiempo de establecimiento y sobreimpulso, mientras que el PID mostró un desempeño intermedio. Posteriormente, los controladores PI y LQR fueron evaluados ante cambios de referencia y perturbaciones externas. El LQR mantuvo un desempeño superior, con respuesta más rápida, menor error acumulado, mejor rechazo de perturbaciones y transiciones más suaves. En conclusión, el controlador LQR demostró ser la estrategia más adecuada para sistemas térmicos complejos.