Un bucle de histéresis muestra si el mismo mando de presión produce un resultado medido diferente después de aproximarse desde arriba que después de aproximarse desde abajo. El resultado solo es útil cuando se declaran conjuntamente la entrada, la salida, el método de barrido, la regla de estabilización, la referencia de fondo de escala y el límite neumático.
Ese límite es el problema práctico en un sistema con cilindro. Un gráfico de mando a presión del regulador prueba una cadena distinta de la de un gráfico de mando a fuerza del cilindro o de mando a posición. Esta última puede incluir el comportamiento del regulador, el error del sensor de presión, el retardo del tubo, la presión de las cámaras, la fricción de las juntas, la carga de la guía, la elasticidad del mecanismo y el controlador.
Puntos clave
- Mida la salida ascendente y descendente en puntos de entrada idénticos; no estime la histéresis a partir de la anchura visual de un bucle arbitrario.
- Utilice escalones estabilizados para un ensayo estático y una rampa o forma de onda temporizada independiente para el seguimiento dinámico.
- Registre el mando, la presión de salida del regulador, la presión de las cámaras del cilindro y la fuerza o posición con una misma base de tiempo.
- Fije los límites de aceptación a partir de la especificación exacta del componente y la tolerancia del proceso de la máquina, no de un porcentaje universal.
¿Qué mide realmente un bucle de histéresis?
Bürkert define la histéresis de una válvula como la mayor diferencia de salida fluídica entre los recorridos ascendente y descendente de todo el rango de entrada eléctrica, normalizada respecto a la salida fluídica máxima (Descripción general de válvulas proporcionales de Bürkert, consultada el 23 de julio de 2026). La histéresis es la dependencia direccional del recorrido en valores de entrada emparejados, no un retardo genérico ni una dispersión aleatoria.
Elija una entrada $u$ y una salida $y$ antes de recopilar datos. En un ensayo de un regulador electroneumático, $u$ puede ser un mando de 0-10 V y $y$, la presión de salida regulada. En un ensayo de fuerza del cilindro, $u$ puede seguir siendo el mando eléctrico, mientras que $y$ pasa a ser la fuerza de la célula de carga. Esos gráficos responden a preguntas diferentes.
La salida seleccionada también determina el denominador de fondo de escala. Una especificación de presión de 0,5 % FS no puede compararse directamente con un bucle de fuerza normalizado respecto a la fuerza máxima de la célula de carga ni con un bucle de posición normalizado respecto a la carrera del cilindro. La guía sobre histéresis y linealidad de válvulas proporcionales trata las especificaciones de los componentes; este artículo se centra en la cadena instalada de control de presión.
Nombre cada bucle como un par ordenado: mando-presión, presión-fuerza, fuerza-desplazamiento o mando-posición. La palabra «histéresis» por sí sola oculta el límite de medición y fomenta que se sumen porcentajes que no son comparables.
Histéresis estática frente a retardo dinámico
ISO 6358-1:2013 define los ensayos de caudal neumático en estado estacionario, pero excluye explícitamente los reguladores con realimentación interna y componentes como los cilindros que intercambian energía con el fluido (ISO 6358-1, 2013). Por tanto, un ensayo de bucle de presión de un cilindro debe declarar su propio objetivo estático o dinámico en lugar de tomar prestada una velocidad de rampa universal de esa norma.
La histéresis estática es la separación dependiente de la dirección que permanece después de que niveles de mando ascendentes y descendentes emparejados cumplen una regla de estabilización documentada. Conserve el valor estabilizado en cada nivel. Unos retardos fijos, como 30 segundos, no son automáticamente correctos; el tiempo de espera necesario depende de la respuesta del regulador, el volumen aguas abajo, las fugas, el filtrado del sensor y el movimiento del proceso.
El retardo dinámico es la diferencia dependiente del tiempo entre el mando y la respuesta medida durante una rampa, onda triangular, onda sinusoidal o perfil de producción declarado. Al aumentar la velocidad del mando, el bucle dibujado puede ensancharse porque el llenado, el escape, la restricción de los tubos, el filtrado del sensor, el muestreo del controlador y la compresibilidad del aire introducen un desfase. La guía sobre el efecto de la compresibilidad del aire en el control de cilindros neumáticos explica esa trayectoria dinámica.
¿Por qué separar los ensayos? Un dispositivo puede tener un bucle estabilizado estrecho pero uno amplio a alta velocidad, o puede estabilizarse lentamente en dos valores dependientes de la dirección. Combinar ambos en un único «porcentaje de histéresis» impide un diagnóstico útil.
| Ensayo | Pregunta principal | Qué debe permanecer fijo | Resultado comunicado |
|---|---|---|---|
| Escalera estabilizada | ¿La dirección cambia la salida estacionaria con la misma entrada? | Niveles de escalón, criterio de espera, alimentación, carga y temperatura | Máxima separación en puntos emparejados y repetibilidad |
| Rampa temporizada | ¿El bucle puede seguir una velocidad de mando declarada? | Velocidad de rampa, frecuencia de muestreo, filtros, volumen y carga | Separación direccional frente al mando y el tiempo |
| Perfil de producción | ¿La máquina cumple su requisito de proceso? | Receta, utillaje, carga útil, orientación y alimentación | Fuerza, presión, posición, sobreimpulso, estabilización y resultado del ciclo |
El área del bucle requiere la misma cautela. El área de un gráfico de voltaje-presión tiene unidades como voltio-bar y no es energía neumática. Trátela como un descriptor de la curva, salvo que los ejes formen un par conjugado de trabajo y la normalización esté definida.
Procedimiento repetible para ensayar la histéresis de un cilindro
ISO 4414:2010 aborda la seguridad y el funcionamiento predecible durante la instalación, el ajuste, el uso y el mantenimiento de sistemas neumáticos, mientras que una modificación de 2026 de ISO 6358-1 trata específicamente la incertidumbre de medición (ISO 4414, 2010; Modificación 2 de ISO 6358-1, 2026). Un ensayo de histéresis útil necesita tanto peligros controlados como un plan de medición trazable.
Retenga la carga y defina el comportamiento seguro ante pérdida de alimentación eléctrica, de señal y de aire antes de recorrer todo el rango. Un mando de presión puede mover el cilindro inesperadamente cuando se vence la fricción. No dependa solo de una parada del PLC si la energía neumática almacenada aún puede mover el mecanismo.
Registre la siguiente configuración de ensayo:
- modelo completo del regulador o la válvula, firmware, tipo de mando y rango de presión;
- presión de entrada medida durante el ensayo, no solo el ajuste del regulador aguas arriba;
- longitud y diámetro interior de los tubos aguas abajo, racores, silenciadores y volumen de las cámaras;
- diámetro interior del cilindro, diámetro del vástago si corresponde, carrera, orientación, guía, carga útil y retención mecánica;
- rango, ubicación, estado de calibración, precisión, histéresis, filtro y frecuencia de muestreo del sensor de presión;
- rango, montaje, estado de calibración y frecuencia de muestreo de la célula de carga o del sensor de posición;
- temperatura del aire y ambiente, estado de calidad del aire y estado de lubricación cuando corresponda;
- niveles de mando, dirección de aproximación, regla de espera o de rampa, repeticiones y cálculo de aceptación.
Utilice marcas de tiempo comunes para todos los canales. Una tendencia independiente del PLC y el registro de un manómetro manual no pueden mostrar de forma fiable qué evento ocurrió primero. Las trazas sincronizadas permiten ver si cambió la presión del regulador, si respondió la cámara del cilindro y si finalmente se movió la carga.
Para un ensayo estático, elija suficientes puntos emparejados para revelar la curva sin afirmar que el tamaño de escalón es universal. Aproxímese al extremo inferior desde el mismo preacondicionamiento, ejecute toda la secuencia ascendente, mantenga o acondicione el extremo superior según lo declarado y vuelva a recorrer los mismos puntos de mando. Repita bucles completos para separar la histéresis de la repetibilidad en una misma dirección.
La capacidad de la instrumentación forma parte de la regla de aceptación. Si la separación prevista está cerca de la incertidumbre del transductor, el ruido, la cuantificación o la deriva de la alimentación, utilice una banda de guarda o mejore el sistema de medición. Comunicar más decimales no mejora las pruebas.
¿Cómo se calcula la histéresis máxima de presión?
SMC indica una histéresis de 0,5 % FS o inferior para su familia de reguladores electroneumáticos ITV y comunica por separado la linealidad, la repetibilidad y la sensibilidad (Catálogo web ITV de SMC, consultado el 23 de julio de 2026). Utilice la misma separación: calcule la histéresis a partir de presiones ascendentes y descendentes emparejadas y comunique los demás términos de error por separado.
Sea $u$ el mando eléctrico, $p_{\uparrow}(u)$ la presión estabilizada en el recorrido ascendente, $p_{\downarrow}(u)$ la presión estabilizada en el recorrido descendente y $p_{\mathrm{span}}$ el intervalo de presión declarado. La histéresis máxima de presión normalizada es:
$$
H_p = \frac{\max_u \left|p_{\uparrow}(u)-p_{\downarrow}(u)\right|}{p_{\mathrm{span}}}\times 100\%
$$$H_p$ es la histéresis de presión como porcentaje del intervalo declarado. El numerador y el denominador deben utilizar las mismas unidades de presión. Indique si la presión es manométrica o absoluta y defina numéricamente $p_{\mathrm{span}}$. Si el rango regulado no parte de cero, utilice $p_{\mathrm{span}} = p_{\max}-p_{\min}$ en lugar de dividir silenciosamente por el extremo superior.
Comunique también la separación máxima absoluta:
$$
\Delta p_{\max} = \max_u \left|p_{\uparrow}(u)-p_{\downarrow}(u)\right|
$$$\Delta p_{\max}$ suele ser más útil en el presupuesto de error de una máquina porque puede compararse con la banda de presión permitida. Registre el mando en el que aparece. Un porcentaje aislado sin su intervalo de presión no puede convertirse de nuevo en una consecuencia para el proceso.
No utilice la anchura horizontal de la curva cuando el mando está en el eje horizontal y la presión en el vertical. La separación horizontal responde a una pregunta inversa diferente: qué diferencia de mando se necesita para obtener la misma salida desde direcciones opuestas. Ambas pueden calcularse, pero necesitan nombres y denominadores distintos.
¿Qué señales separan el error del regulador del error del cilindro?
Un estudio de 2025 sobre un cilindro de simple efecto registró el mando de la válvula, la presión de accionamiento, el desplazamiento, el estado de movimiento y la fuerza medida; sus curvas de carga y descarga se desplazaron con el desplazamiento (Artículo de investigación de Actuators, 2025). Esa cadena de medición muestra por qué un único bucle de mando-fuerza no puede identificar qué componente creó la separación observada.
Recopile al menos cuatro señales alineadas cuando la variable de proceso sea la fuerza o la posición:
- Mando
$u$: valor entregado al regulador o la válvula, preferiblemente con la corriente o tensión analógica real cuando esté disponible. - Presión de salida del regulador
$p_r$: medida cerca del regulador para evaluar su relación entre mando y presión. - Presión de la cámara del cilindro
$p_c$: medida cerca de la cámara de trabajo para poner de manifiesto los tubos, racores, restricción del escape y volumen aguas abajo. - Salida del proceso: fuerza
$F$de la célula de carga o posición$x$en el punto de aceptación de la máquina.
Interprete los pares en orden:
| Separación observada | Límite probable | Comprobaciones antes de sustituir hardware |
|---|---|---|
| Del mando a la presión del regulador | Regulador, electrónica de mando, sensor interno o estado de la alimentación | Señal de entrada real, especificación del modelo exacto, presión de entrada, escape, ajustes y temperatura |
| De la presión del regulador a la presión de la cámara | Trayectoria neumática o método de ensayo dinámico | Diámetro interior y longitud de los tubos, racores, silenciador, válvulas antirretorno, fugas, volumen de la cámara y velocidad de rampa |
| De la presión de la cámara a la fuerza | Cilindro y mecanismo | Fricción de las juntas, carga lateral, alineación de la guía, presión opuesta, relación del mecanismo, elasticidad y montaje de la célula de carga |
| De la presión de la cámara a la posición | Eje de movimiento completo | Fuerza neta, carga útil, fricción, amortiguadores, topes, montaje del encoder, controlador y dirección de aproximación |
La presión por sí sola no establece la fuerza del cilindro. Para un cilindro de doble efecto, un balance de fuerzas útil es:
$$
F = p_A A_A - p_B A_B - F_f - F_{\mathrm{ext}}
$$$p_A$ y $p_B$ son las presiones de las cámaras, $A_A$ y $A_B$ son sus áreas efectivas de pistón, $F_f$ es la contribución de fricción con signo y $F_{\mathrm{ext}}$ representa la carga resistente externa en la dirección elegida. La guía sobre la fuerza creada por el diferencial de presión explica los términos de área.
La primera relación que desarrolla una separación direccional es más diagnóstica que el bucle final más ancho. Si el mando a presión es estrecho pero la presión a fuerza se abre, es poco probable que sustituir el regulador proporcional elimine la dependencia mecánica del recorrido.
¿Cómo se distinguen los efectos de fricción, retardo y sensor?
Los trabajos experimentales sobre cilindros neumáticos encontraron un comportamiento no lineal previo al deslizamiento y un bucle de fuerza de fricción frente a desplazamiento cuyo tamaño cambiaba con la presión de la cámara (Bo et al., 2014). Por tanto, la fricción es una fuente plausible a nivel del cilindro, pero la forma de un bucle por sí sola no demuestra que la junta sea responsable.
Utilice cambios controlados en lugar de suposiciones visuales:
- Mantenga constante la velocidad de mando y cambie el tiempo de espera. Si la separación disminuye al permitir que la salida se estabilice, intervienen el retardo dinámico o el filtrado. Una separación estabilizada residual apunta a una dependencia estática del recorrido.
- Cambie la ubicación del sensor de cámara. Una gran diferencia entre la presión del puerto del regulador y la del puerto del cilindro durante el flujo apunta a la trayectoria neumática, no automáticamente a la histéresis del regulador.
- Repita sin movimiento del cilindro cuando el circuito lo permita de forma segura. Un bucle de presión del regulador con un volumen aguas abajo fijo ayuda a separar el comportamiento del regulador de las juntas y la mecánica en movimiento.
- Compare la fuerza en una posición fija. Si la separación presión-fuerza cambia con la posición, la carga de la guía, la deformación de la junta, la geometría del mecanismo o la elasticidad estructural pueden formar parte del resultado.
- Invierta la carga mecánica manteniendo la secuencia de presión. Un bucle de fuerza o posición desplazado puede revelar la gravedad, la carga lateral, la holgura o una retención asimétrica.
- Utilice un instrumento de presión independiente. El acuerdo entre dos sensores reduce la posibilidad de confundir la histéresis, el rango, el filtrado o el montaje del sensor con un error del regulador.
- Repita a las temperaturas y presiones de alimentación declaradas. Comunique las condiciones específicas en lugar de aplicar una corrección estacional genérica.
La zona muerta requiere un ensayo independiente. Pregunta cuánto debe cambiar la entrada antes de que se produzca una respuesta de salida declarada, a menudo después de una inversión. La histéresis compara dos salidas con la misma entrada. Consulte la guía sobre la zona muerta de las válvulas proporcionales antes de asignar un mismo porcentaje a ambos efectos.
Los bucles irregulares merecen una revisión de las trazas en bruto. La saturación, el recorte del mando, las ondulaciones de presión, la cuantificación del sensor, el cableado flojo, los impactos mecánicos y la deriva entre ciclos pueden producir formas que no son ni una característica estable de histéresis ni una respuesta dinámica repetible.
¿Cuál es un límite de histéresis aceptable?
SMC especifica 0,5 % FS o menos para una familia ITV, mientras que Festo indica una histéresis de 0,5 % FS y una precisión total de 1,25 % FS para una configuración VPPM (SMC ITV, consultado el 23 de julio de 2026; Festo VPPM, consultado el 23 de julio de 2026). Son ejemplos de componentes específicos del modelo, no límites universales para un sistema de cilindro.
Construya dos niveles de aceptación:
- Conformidad del componente: compare el regulador con la definición exacta de su ficha técnica, el rango de presión, el estado de alimentación, la variable de salida y el método de ensayo. No sustituya el porcentaje de otra serie.
- Aceptación de la máquina: defina la diferencia permitida de presión, fuerza o posición bajo la carga de producción, dirección, velocidad, temperatura y estado de alimentación reales.
Convierta la tolerancia del proceso a la unidad de salida medida. Si la operación permite una banda de fuerza declarada, ensaye la fuerza en el punto de proceso con el utillaje real. Si solo se mide la presión, documente la relación presión-fuerza validada y sus márgenes de fricción, presión opuesta, geometría e incertidumbre. La guía sobre reguladores proporcionales de presión explica por qué la presión del regulador no es automáticamente la fuerza del proceso.
Un presupuesto de error debe mantener separados los términos hasta justificar la regla de combinación:
| Contribución | Ejemplo de prueba de aceptación |
|---|---|
| Histéresis del regulador | Límite del fabricante o ensayo de entrada usando la misma salida y el mismo intervalo definidos |
| Sensor de presión | Datos de calibración, histéresis, repetibilidad, rango, temperatura e incertidumbre |
| Trayectoria neumática | Diferencia dinámica de presión entre el regulador y la cámara bajo el perfil declarado |
| Cilindro y mecánica | Mediciones bidireccionales de fuerza o posición con carga y posición indicadas |
| Controlador | Registros de seguimiento, sobreimpulso, estabilización, saturación y respuesta a fallos |
No sume todos los porcentajes máximos como si alcanzaran su pico a la vez, con el mismo signo y el mismo denominador. Un límite conservador puede utilizar una suma del peor caso, un tratamiento de suma cuadrática, el rendimiento combinado medido u otro método documentado. El equipo de ingeniería debe indicar qué modelo se ajusta al riesgo y a las pruebas.
¿Cómo se debe corregir la histéresis?
En un experimento de 2025 con un cilindro de simple efecto, el suavizado del mando redujo el sobreimpulso y el error estacionario de ese banco, pero aumentó el tiempo de estabilización a medida que aumentaba el suavizado (Actuators, 2025). El resultado ilustra una lección general de puesta en marcha: una corrección puede mejorar una métrica y empeorar otra, por lo que la compensación debe seguir a la eliminación del fallo y a un nuevo ensayo del bucle completo.
Siga este orden:
- Verifique la medición. Compruebe la calibración, los rangos, las marcas de tiempo, los filtros, las unidades, la escala del mando y el denominador de fondo de escala.
- Elimine los fallos físicos. Corrija la contaminación, los escapes obstruidos, la presión de alimentación inestable, las juntas dañadas, la carga lateral, la desalineación, los acoplamientos flojos y el montaje inadecuado del sensor.
- Estabilice el límite de ensayo. Fije el volumen, la geometría de los tubos, la carga, la posición, la temperatura, el método de barrido y el preacondicionamiento.
- Caracterice ambas direcciones. Guarde las curvas ascendentes y descendentes repetidas, no solo un porcentaje máximo.
- Aplique ajustes documentados del dispositivo. Utilice únicamente ajustes aprobados de ganancia, respuesta, dither, PWM o filtro para el hardware seleccionado.
- Añada compensación dependiente de la dirección si es necesaria. Una tabla de consulta o una corrección feedforward debe incluir la dirección de aproximación cuando una curva no pueda representar ambos recorridos.
- Proteja el bucle de realimentación. Aplique límites de salida y anti-windup y vuelva a ajustar con el retardo neumático y la carga mecánica reales.
- Vuelva a validar las condiciones de producción. Ensaye la fuerza o la posición, no solo la presión del regulador, cuando esa sea la variable de aceptación.
La realimentación del controlador puede reducir el error de seguimiento, pero no borra la característica subyacente del componente o de la mecánica. Una ganancia mayor puede provocar oscilaciones cuando el retardo, la fricción, la saturación o la zona muerta impiden una corrección suave. Utilice la guía de ajuste PID para una válvula proporcional y un sistema de cilindro después de medir los límites estáticos y dinámicos.
Una tabla de compensación debe representar un sistema sano y repetible. Si la curva cambia de forma importante después de la limpieza, el calentamiento, la inversión de carga o el mantenimiento, la tabla está absorbiendo una condición no controlada en lugar de corregir una característica estable.
Preguntas frecuentes sobre la histéresis de la presión proporcional
SMC y Festo publican ambos una histéresis de 0,5 % FS para familias específicas de reguladores electroneumáticos, pero su documentación mantiene la histéresis separada de los demás términos de precisión (SMC ITV; Festo VPPM, consultado el 23 de julio de 2026). Estas preguntas explican cómo conservar ese límite de medición en un sistema completo con cilindro.
¿Un bucle dinámico más ancho demuestra siempre una mayor histéresis estática?
No. Una rampa más rápida puede ensanchar un bucle de mando-presión o mando-fuerza debido al retardo de llenado y escape, la restricción de los tubos, el volumen de la cámara, el filtrado, el muestreo y el movimiento mecánico. Repita el ensayo como una escalera estabilizada. Comunique la separación restante en puntos emparejados como histéresis estática y mantenga el bucle dependiente de la velocidad como resultado dinámico independiente.
¿La histéresis debe medirse en el regulador o en el cilindro?
Mida ambos cuando importe la variable de la máquina. Un sensor cerca del regulador prueba su relación local de presión de salida. Un sensor cerca del cilindro incluye la trayectoria neumática de conexión. La comparación de lecturas sincronizadas muestra si la separación aparece antes o después de los tubos, racores, válvulas y el volumen de la cámara. Indique siempre la ubicación del sensor junto con el resultado.
¿La histéresis de presión puede convertirse directamente en un error de fuerza del cilindro?
No sin un modelo de fuerza validado. La fuerza neta del cilindro depende de las dos presiones de cámara, sus áreas efectivas, la fricción con signo, la carga externa, la geometría del mecanismo y la posición. Utilice una célula de carga en el punto de proceso cuando la fuerza sea la variable de aceptación. La fuerza derivada de la presión sigue siendo una estimación si no se controlan esos términos e incertidumbres adicionales.
¿Un controlador PID puede eliminar la histéresis?
La realimentación puede reducir el error de seguimiento medido dentro de la autoridad y el ancho de banda disponibles en el bucle, pero no elimina la fricción de la válvula, la histéresis del sensor, el comportamiento de la junta ni la holgura. Un exceso de acción integral puede acumularse mientras la salida está inactiva y provocar después un sobreimpulso. Caracterice ambas direcciones, corrija los fallos físicos, aplique anti-windup y vuelva a ensayar el perfil de producción.
¿Con qué frecuencia debe revisarse una referencia de histéresis?
Utilice un intervalo basado en el riesgo y relacionado con la capacidad del proceso, el mantenimiento, la exposición a contaminación, el rango de temperatura y la deriva observada. Establezca una referencia después de la puesta en marcha y repítala tras cambios en el regulador, el sensor, el cilindro, la junta, los tubos, el firmware o el controlador. Registre la tendencia de las curvas en bruto y las condiciones de ensayo; un intervalo trimestral universal o un aumento porcentual fijo no es defendible.
Fuentes y referencias técnicas
El artículo utiliza ocho fuentes de fabricantes, normas y trabajos experimentales. Los valores de producto siguen vinculados a la familia nombrada y no se presentan como límites universales de aceptación para cilindros neumáticos.
- Bürkert, Descripción general de válvulas proporcionales, definiciones de histéresis, sensibilidad, linealidad y repetibilidad. Consultado el 23 de julio de 2026.
- SMC, Catálogo web del regulador electroneumático ITV, histéresis, linealidad, repetibilidad y sensibilidad de la familia de modelos. Consultado el 23 de julio de 2026.
- Festo, Regulador proporcional de presión VPPM, histéresis, linealidad, reproducibilidad y precisión total específicas del modelo. Consultado el 23 de julio de 2026.
- ISO 6358-1:2013, alcance, método en estado estacionario y exclusiones para reguladores y cilindros. Consultado el 23 de julio de 2026.
- ISO 6358-1:2013/Mod. 2:2026, evaluación de la incertidumbre de medición. Consultado el 23 de julio de 2026.
- ISO 4414:2010, reglas generales y requisitos de seguridad para sistemas y componentes neumáticos. Consultado el 23 de julio de 2026.
- Bo et al., Investigación experimental del comportamiento de fricción en régimen previo al deslizamiento para un cilindro neumático, pruebas experimentales de presión, desplazamiento y bucles de fricción, 2014. Consultado el 23 de julio de 2026.
- Control de fuerza feedforward basado en datos de un cilindro neumático de simple efecto con característica de histéresis no lineal, mediciones sincronizadas de mando, presión, desplazamiento y fuerza, 2025. Consultado el 23 de julio de 2026.