El uso de controladores PID en aplicaciones informáticas
Por Luis Enrique Garza Gaona
En el mundo de la informática el desempeño de los servidores es esencial para asegurar que los servicios en línea, las aplicaciones de correo y los sistemas de grandes empresas operen de forma eficiente. Uno de los aspectos clave que ayudan a mejorar dicho desempeño es el monitoreo y la administración de las variables que afectan a los servidores, tales como la precisión, el tiempo de respuesta, y la distribución apropiada de las tareas del servidor. Para alcanzar un desempeño preciso, se utilizan técnicas de control automático que aseguren que el servidor se comporte de acuerdo a ciertos parámetros predefinidos, que van a depender de los requerimientos de la persona usuaria. Debido a esto, muchos servidores utilizan un tipo de control automático llamado controlador PID (Proporcional, Integral, Derivativo, por sus siglas en inglés).
Un controlador PID es un algoritmo de control utilizado en sistemas automáticos para ajustar las variables de un proceso hasta que alcancen un valor deseado. Este tipo de controladores son muy utilizados en una gran variedad de aplicaciones en todo tipo de industrias, debido a su simplicidad y efectividad.
Los 3 términos que dan a un controlador PID son su nombre y corresponden a distintos componentes matemáticos que operan de la siguiente manera: el término proporcional ajusta la salida del sistema con base a la diferencia entre el valor actual y el valor deseado. Entre mayor sea la diferencia, mayor será la corrección aplicada. Por otro lado, el término integral es el responsable de corregir el error acumulado a través del tiempo. Finalmente, el término derivativo intenta predecir el comportamiento futuro del sistema tomando en cuenta la razón a la que cambia el error, con el objetivo de corregir dicho comportamiento y prevenir oscilaciones.
Los servidores informáticos, especialmente en situaciones de alta demanda como los utilizados en centros de datos, generalmente deben administrar un gran número de variables que pueden afectar su desempeño. Una de las aplicaciones más comunes de un controlador PID en servidores, consiste en controlar la temperatura del servidor, que está fuertemente relacionada con la cantidad de tareas procesadas en un momento dado. En este caso, si la temperatura aumenta, el controlador PID incrementa la velocidad de los ventiladores (es decir, una acción proporcional).
Otra variable importante tiene que ver con la administración de la carga computacional. La carga del CPU (Unidad de Proceso Central, por sus siglas en inglés) de un servidor es otra variable crítica que debe ser mantenida dentro de ciertos límites para asegurar un desempeño óptimo. Si la carga es muy alta, el servidor puede volverse muy lento o incluso colapsar; por otro lado, si la carga es muy baja, los recursos computacionales podrían no utilizarse eficientemente.
Los controladores PID pueden utilizarse para administrar el uso de los recursos del sistema basados en la carga del CPU. Si el procesador está sobrecargado, el controlador PID puede redistribuir las tareas o incrementar los recursos disponibles (por ejemplo, activando núcleos o procesos adicionales). En el caso contrario, si la carga disminuye de forma excesiva, el controlador puede reducir el uso de los recursos para mejorar la eficiencia energética.
Por otro lado, un controlador debe asegurar el funcionamiento adecuado de un sistema incluso si enfrenta incertidumbre o variaciones en sus parámetros. Por ejemplo, la temperatura de un servidor podría variar debido a causas externas (tales como una falla en el sistema de aire acondicionado), o incluso la medición de la temperatura sería imprecisa. El área de la teoría de control que estudia este tipo de situaciones es llamada control robusto. En otras palabras, un controlador PID robusto es capaz de asegurar el desempeño adecuado de un sistema incluso en la presencia de cambios imprevistos.
Actualmente, un equipo de investigadores y estudiantes en la Universidad de Colima trabaja en el desarrollo de nuevas técnicas de control robusto que permitan el diseño de nuevos controladores PID robustos que proporcionen ventajas sobre los controladores que existen actualmente. Para lograr esto se utilizan algunas técnicas matemáticas desarrolladas recientemente, las cuales involucran el uso de ciertas funciones con propiedades especiales llamadas polinomios ortogonales. Esto ha permitido proponer nuevas alternativas de controladores PID robustos que se pueden aplicar en sistemas informáticos. A medida que los centros de datos y las infraestructuras informáticas crecen en tamaño y complejidad, el desarrollo de nuevas técnicas de control robusto juega un papel fundamental en la optimización de estos sistemas.
Para conocer más sobre el tema, puede consultarse el siguiente enlace: https://ieeexplore.ieee.org/document/10887206
*Profesor e investigador de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Colima
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