INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL - EL3 – AÑO 2016 Ing. Ind

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL - EL3
– AÑO 2016
Ing. Ind. Jorge Espasandín
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BIBLIOGRAFÍA PARA CONTROL:
1) MECATRÓNICA – W. Bolton (Alfaomega)
2) INGENIERÍA DE CONTROL – W. Bolton (Alfaomega)
3) INTRODUCTION TO CONTROL SYSTEM TECHNOLOGY- R. Bateson
(Prentice Hall)
4) SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO – Benjamin Kuo (Prentice Hall)
TEMAS A TRATAR EN EL CURSO DE CONTROL:
Se estudiarán los sistemas de control en dos campos principales:
- Sistemas de REGULACIÓN AUTOMÁTICA o también control de
procesos continuos, control de retroalimentación o en lazo cerrado.
Ejemplos: sistemas para control de variables de procesos como ser:
temperatura (termo tanques, refrigeradores), nivel (tanques de agua y
combustible domiciliarios e industriales) presión (sistemas de aire
comprimido, hidráulicos etc.) caudal, humedad etc.
- Sistemas de MANDO (o también control de procesos discretos,
secuenciales y combinatorios).
Se aplican en ascensores, lavarropas, prensas y dispositivos para
mecanización o conformación de piezas. Utilizan circuitos hidráulicos,
neumáticos, eléctricos, electrónicos y/o autómatas programables (PLC)
Ejemplos de control de procesos continuos
Fig.1.1 Un control de temperatura manual.
La variable controlada es la temperatura de salida del producto.
Cuando interviene el operario: su cerebro realiza la comparación entre el
valor deseado de temperatura del producto y el valor medido e indicado
por el instrumento TI.
Si hay una diferencia o sea un error, actuará sobre la válvula (que es el
elemento de corrección ó actuador), para variar el caudal de combustible
que es la variable manipulada.
De esa forma ajustará la temperatura en el horno y la de salida de
producto o sea corregirá el error.
DEFINICIÓN: Un sistema de control es un grupo de componentes que
mantienen una cierta variable en un valor deseado, manipulando el
valor de otra(s) variable(s).
En el control manual el flujo de información (señales) constituye un lazo
cerrado (closed loop) mientras hay acción del operador (“man-in-theloop”):
Fig.1.2 Esquema del flujo de señales
Las flechas que van hacia la derecha constituyen la trayectoria directa del
flujo de señales (órdenes), y las que van hacia la izquierda representan la
realimentación o retroalimentación.
Los controles manuales son siempre lazos abiertos en los intervalos
entre las intervenciones humanas.
Los controles manuales se basan en la calibración previa de sus
componentes. Ejemplo: el horno de la cocina domiciliaria.
Ventajas de los controles manuales comparados con los controles
automáticos: son más simples y de menor costo, no presentan problemas
de inestabilidad, son flexibles, son recomendables cuando los procesos
son difíciles de modelar o no son repetitivos ni muy rápidos ni riesgosos.
Desventajas: dependen de la calidad del operario (factor humano), de su
concentración (caso de los conductores de vehículos) capacitación,
responsabilidad etc. No responde bien frente a situaciones imprevistas o
súbitas.
Otros ejemplos. En la vida diaria debemos realizar continuamente
actividades que requieren acciones de control.
En fig.1.3 se representa el proceso de asir una taza de una mesa.
Fig.1.3 Control del proceso: asir una taza.
Variable controlada:
Valor deseado o de
referencia:
Sensor de posición:
Señal de error:
Elemento de
comparación: (detección
del error)
Controlador (generador
de las órdenes para
corregir el error):
Unidad de corrección:
(actuador)
Proceso:
Realimentación:
Posición de la mano y dedos
respecto de la taza.
Posición del asa de la taza
Ojos
Distancia entre mano y asa
Cerebro
Cerebro
Brazo + muñeca + dedos
Asir una taza (movimiento del
sistema brazo + muñeca + dedos)
Negativa
Ejercicio propuesto: Analizar el sistema: persona conduciendo un
automóvil.
-----------------------------------------------------------------------------------------------Las ventajas de los controles automáticos son: incrementan la
productividad, mejoran la calidad y la uniformidad, incrementan la
eficiencia, la seguridad y el confort.
Crecen en importancia y configuran una nueva revolución industrial.
En los lazos de control automático encontramos como componentes
principales: sensores, controladores y elementos de corrección (o
actuadores, o elementos finales de control).
Además suele haber otros componentes como: transmisores,
transductores o conversores de señal: P/I, analógica /digital etc.
El controlador reemplaza al operario requerido en los controles manuales.
En la Fig. 1.4 se representa un proceso de calentamiento de cierto
producto, en un intercambiador de calor, con un sistema de control de
temperatura automático. El medidor aparece desglosado en un elemento
primario (tipo bulbo y capilar) y un transmisor que genera una señal
neumática proporcional a la temperatura.
Fig.1.4 Un control de temperatura automático
RESUMEN: Para cada lazo de control se establece una variable
controlada y su valor deseado también llamado: valor de referencia,
punto de consigna, o set point.
El set point (SP) puede ser fijo o variable (servos). En el ejemplo de Fig.
1.3 el SP variable sería si la taza se está moviendo (deslizando o
cayendo). Típicamente se encuentran en: robótica, dirección asistida de
vehículos, radares, artillería etc.
El medidor (sensor, transmisor) envía una señal correspondiente al valor
instantáneo de la variable controlada que es comparada con el valor
deseado (punto de consigna) y la diferencia, desviación o ERROR
desencadena una orden al elemento de corrección (actuador).
La función del actuador es modificar una segunda variable: variable
manipulada, la que influye y ajusta la variable controlada.
Los sistemas de control pueden ser representados gráficamente mediante
diagramas de bloques.
A cada componente del sistema se le asigna un bloque (que gráficamente
es un rectángulo), y los bloques quedan interrelacionados entre sí por
flechas.
Las flechas que llegan representan las señales de entrada y las que parten
de él son las señales de salida.
Una señal de entrada es una variable física (T, p, F, V, I ) la cuál será
convertida o manipulada en el bloque (por el componente real que él
representa) generando como resultado una señal de salida.
En resumen: la entrada es la causa, excitación, acción o estímulo que
recibe el componente representado por el bloque, y la salida es el efecto,
respuesta, reacción o consecuencia de la entrada.
Fig. 1.5 Diagrama de bloques de un lazo cerrado (con retroalimentación)
Como en el comparador las señales de entrada se restan para darnos
como señal de salida el error, se dice que tenemos retroalimentación
negativa.
Si las señales de entrada se sumaran sería retroalimentación positiva.
Fig.1.6 ESTRUCTURA GENERAL DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN Y
CONTROL (en diagrama de bloques)
CONCEPTO DE PERTURBACIONES
El controlador actúa siempre después que aparece un ERROR.
Las causas de ese error pueden ser de 3 tipos:
a) Cambios (voluntarios) en el valor de consigna (valor deseado). Por ej.
en verano la temperatura que necesitamos en el agua caliente o en el aire
acondicionado es distinta de la requerida en invierno.
También se hace para estudiar (ensayar) la repuesta del sistema de
control por ej. luego de completar una etapa de diseño del sistema.
b) Cambio de carga. Se producen por exigencias de operación,
variaciones en la demanda en los procesos. Por ejemplo en un refrigerador
sucederá si le “cargamos” una mayor cantidad de alimentos (calientes).
En un termo tanque: por un mayor consumo de agua caliente.
c) Cambios en el valor de la variable controlada producidos por otras
causas diferentes a las dos anteriores.
Hablamos entonces de PERTURBACIONES.
Son variables que no están controladas por el sistema. En el ejemplo de
Fig. 1.4 podrían ser: cambios en las características del producto o del
fluido calefactor (presión, calidad), o de las condiciones medioambientales
etc.
Pero, en la práctica y por comodidad también se puede hablar de cambios
de carga y/o de perturbaciones indistintamente sin darle importancia a las
diferencias de causa.
REPRESENTACIÓN DE LAS VARIABLES EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
En control es imprescindible representar la evolución de las variables en
función del tiempo. A continuación veremos algunas de las gráficas que
se presentan con más frecuencia.
a) SEÑAL ESCALÓN. Es la representación matemática (ideal) de una
señal que sufre una variación muy brusca.
Escalón unitario es el que tiene un salto de valor ”1” , la notación es: u(t)
b) SEÑAL LINEAL. Tambien se dice que es una variación en “rampa”
La función matemática: y (x) = a x + b ( x: variable independiente) ahora
va a ser: y (t) = a. t + b
Si b = 0 la recta pasa por el origen.
La pendiente está definida por el coeficiente angular: a
Con frecuencia tratamos de linealizar variables para aproximarnos a
fenómenos complejos que son no-lineales en la realidad.
c) SEÑAL SINUSOIDAL (estable) y = A sen t + 
Queda definida dando la amplitud, la frecuencia angular y fase.
Por ejemplo: es el movimiento oscilatorio de una masa unida a un resorte
(ideal) cuando se la aparta de la posición de equilibrio.
d) SEÑAL SINUSOIDAL AMORTIGUADA.
Corresponde a una oscilación cuya amplitud va decreciendo en el tiempo,
por ej. el movimiento de una masa unida a un resorte y un amortiguador
e) SEÑAL EXPONENCIAL
Es la función tipo: y = k. e
at
En t = 0 ; e0 = 1 ; y = k
Si “a” es negativo “y” es decreciente y tiende a cero cuando “t” tiende a
infinito.
f) SEÑAL IMPULSO (o función DELTA de Dirac)
Representa un valor muy grande de una variable pero que dura un tiempo
muy corto, como por ejemplo el impacto de un proyectil.
Puede imaginarse pasando al límite la función h(t) de la fig. siguiente
cuando “t” tiende a cero.
RESPUESTA DE UN BLOQUE A ENTRADAS TIPO.
Con frecuencia se analiza el comportamiento de un bloque (componente) y
de sistemas de control, aplicándole una señal de entrada que sea fácil de
implementar y que represente situaciones reales importantes .
Esas señales de prueba se conocen como “entradas tipo”
Por ejemplo la entrada escalón es muy usada, corresponde a una
variación muy brusca de una variable.
Otras entradas tipo muy usadas son: la rampa, la sinusoidal y el impulso.
OBJETIVOS DE UN SISTEMA DE CONTROL
Un sistema de control IDEAL sería el que mantiene la variable controlada
exactamente en su valor deseado, siempre, independientemente de las
variaciones de set point o de la carga.
Eso es imposible en los sistemas retroalimentados ya que dependen de
que haya error para que se desencadene la acción del controlador.
Objetivos más realistas serían:
a) Hacer mínimo el valor máximo del error.
b) Minimizar el tiempo de asentamiento.
c) Minimizar el error residual.