REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
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Introducción:
En la época previa al auge y desarrollo de la automatización industrial, en el campo
de la regulación y co...
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Esquema de un Sistema de Control:
Un esquema de un sistema de control es, básicamente, una estructura organizada
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El control predominante (override), permite seleccionar entre dos o más controladores,
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 Proporcional (P): en este sistema la amplitud de la señal de entrada al
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Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno
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  1. 1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA EXTENSIÓN MATURÍN Controladores Profesora: Realizado por: Ing. Mariangela Pollonais. Kiklikian Juan. C.I.:19.662.582. Maturín, agosto de 2014
  2. 2. 2 Índice: Pág. Introducción…………………………………………………………………………………………………………………… 3 Cuerpo Teórico:  Esquema de un sistema de Control……………………………………………………………………… 4  Definición de Controlador………………………..……………………………….………………………... 5  Compensación de Adelanto……………………………..………………………….………………………. 5  Compensación de Atraso………………..………………….……………………….………………………. 6  Tipos de Controladores……………………………………………………………………………………….. 6  Acciones de Control…………………………………………………………………………………………….. 9  Ejemplos de Acciones de Control………………………………………………………………………… 11 Conclusión……………………………………………………………………………………………………………………… 12
  3. 3. 3 Introducción: En la época previa al auge y desarrollo de la automatización industrial, en el campo de la regulación y control eran los operarios los que, manualmente, realizaban las modificaciones que su experiencia y buen criterio aconsejaban, para mantener la variable de salida controlada, para alcanzar los resultados finales deseados. Hoy en día, en las aplicaciones industriales, se utilizan los ordenadores como elemento de control. El regulador o controlador constituye el elemento básico de un sistema de control, ya que determina su comportamiento, condicionando la acción de los actuadores en función de la señal de error obtenida.
  4. 4. 4 Esquema de un Sistema de Control: Un esquema de un sistema de control es, básicamente, una estructura organizada donde intervienen diversos elementos específicos con el propósito de controlar un sistema determinado. En los sistemas básicos de control, se puede encontrar:  Control por realimentación: El control por realimentación (feedback) constituye la infraestructura básica de casi todos los esquemas de control de procesos, corrigiendo las perturbaciones. El control por realimentación mide la variable de proceso, la compara con el punto de ajuste y manipula la salida en la dirección en que debe moverse el proceso para alcanzar el punto de ajuste.  Control de adelanto: El control adelantado (feedforward) es una estrategia usada para compensar los disturbios en un sistema, antes que afecten la variable controlada. La idea es medir el disturbio, predecir el efecto en el proceso y aplicar la acción correctiva correspondiente. Usualmente se usa este esquema de control en combinación con el control por realimentación (feedback).  Control de relación: El control de relación asegura que dos o más flujos se mantengan en la misma relación aunque estos cambien. Se usa para obtener mezclas con una composición o propiedades físicas específicas, para mezclas aire/combustible. El flujo controlado equivale al flujo medido por el FT101 por algún valor previamente ajustado en FF102. Si la característica física (densidad, viscosidad, etc.) es medida, un controlador PID puede ser usado para manipular la válvula de relación.  Control en cascada: El controlador en cascada usa la salida del controlador primario para manipular el punto de ajuste del controlador secundario. Este sistema se compone de dos estructuras de control por realimentación. El lazo secundario debe tener influencia sobre el primario y, la dinámica del proceso de este lazo deber ser más rápida que la del primero (por ejemplo flujo y temperatura). Este esquema de control permite una respuesta rápida de control y manipular independientemente los dos lazos si se requiere.
  5. 5. 5  Control predominante: El control predominante (override), permite seleccionar entre dos o más controladores, la salida que actuará sobre el elemento final de control, dependiendo de la importancia que se le dé a cada variable en el sistema. La realimentación externa evita que se salgan de control cualquiera de las dos variables.  Control adaptativo: El control adaptativo es un sistema del cual se espera se adapte a los cambios en la dinámica del proceso. Es un tipo de control para procesos no lineales y cambiantes en el tiempo (envejecimiento del sistema, perturbaciones, etc). Definición de Controlador: El controlador es una componente del sistema de control que detecta los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o “set point”, programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador. Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno omás procesos. Al principio los controladores estaban formadosexclusivamente por componentes discretos, conforme la tecnología fuedesarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de microcontroladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia o “Set point”, con el valor medido del parámetro más importante a controlar en un proceso. Compensación de Adelanto: Los compensadores en adelanto son dispositivos diseñados para crear un adelanto de fase en el sistema y así cumplir con las especificaciones de comportamiento requeridas en el proceso. La compensación de adelanto produce un mejoramiento razonable en la respuesta transitoria y un cambio pequeño en la precisión en estado estable. Puede acentuar los efectos del ruido de alta frecuencia. Se trata de las técnicas de compensación de adelanto basadas en el enfoque de la respuesta. La función principal del compensador de adelanto es volver a dar forma a la curva de respuesta en frecuencia a fin de ofrecer un
  6. 6. 6 ángulo de adelanto de fase suficiente para compensar el atraso de fase excesivo asociado con los componentes del sistema fijo. Compensación de Atraso: Los compensadores en atraso son dispositivos diseñados incrementar la ganancia en lazo cerrado, lo que hace que mejore el error en estado estacionario sin modificar de manera significativa el transitorio del sistema, siempre y cuando se implemente de manera adecuada. El efecto principal de la compensación en atraso es reducir la ganancia de alta frecuencia (acrecentar la atenuación) en tanto que el ángulo de fase decrece en la región de frecuencia baja a media (aumenta el atraso de fase). Asimismo, un compensador de atraso puede hacer que disminuya el ancho de banda del sistema y/o los márgenes de ganancia, y en general puede ocasionar que un sistema sea más lento. Generalmente se utiliza para mejorar el comportamiento en estado estacionario (el error permisible o la precisión del sistema). Tipos de Controladores: En un sistema con un sistema de control, según sea la forma en que conteste el actuador, distinguiremos distintos tipos de acciones de control, algunas de ellas solamente utilizarán acciones llamadas básicas, aunque lo más común es que respondan mediante una combinación de estas acciones básicas. En un sistema con un sistema de control, según sea la forma en que conteste el actuador, distinguiremos distintos tipos de acciones de control, algunas de ellas solamente utilizarán acciones llamadas básicas, aunque lo más común es que respondan mediante una combinación de estas acciones básicas. Los tipos de controladores pueden ser:  Si/No: en este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es utilizado, por ejemplo, en el alumbrado público, ya que éste se enciendo cuando la luz ambiental es más baja que un pre-destinado nivel de luminosidad.
  7. 7. 7  Proporcional (P): en este sistema la amplitud de la señal de entrada al sistema afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel pre-destinado sino toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de iluminación utilizan un sistema P para determinar con que intensidad encender lámparas dependiendo directamente de la luminosidad ambiental. Es el más sencillo de los distintos tipos de control y consiste en amplificar la señal de error antes de aplicarla a la planta o proceso. La función de transferencia de este tipo de reguladores es una variable real, denominada Kp (constante de proporcionalidad) que determinará el grado de amplificación del elemento de control. Si y(t) es la señal de salida (salida del controlador) y e(t) la señal de error (entrada al controlador), en un sistema de control proporcional tendremos: Que en el dominio de Laplace, será: Por lo que su función de transferencia será:  Proporcional derivativo (PD): en este sistema, la velocidad de cambio de la señal de entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación, calculando la derivada de la señal. El controlador derivativo se opone a desviaciones de la señal de entrada, con una respuesta que es proporcional a la rapidez con que se producen éstas. Si consideramos que: o y(t) = Salida diferencial. o e(t) = Error (diferencia entre medición y punto de consigna [PC]. El PC no es otra cosa que el nivel deseado al que queremos que vuelva el sistema) o Td = Tiempo diferencial, se usa para dar mayor o menor trascendencia a la acción derivativa. La salida de este regulador es: Que en el dominio de Laplace, será: Por lo que su función de transferencia será:  Proporcional integral (PI): este sistema es similar al anterior, solo que la señal se integra en vez de derivarse. En estos reguladores el valor de la acción de control es proporcional a la integral de la señal de error, por lo que en este tipo de control la
  8. 8. 8 acción varía en función de la desviación de la salida y del tiempo en el que se mantiene esta desviación. Si consideramos que: o y(t) = Salida integral o e(t) = Error (diferencia entre el valor medido medición y el punto de consigna PC) o Ti = Tiempo integral La salida de este regulador es: Que en el dominio de Laplace, será: Por lo que su función de transferencia será:  Proporcional integral derivativo (PID): este sistema combina los dos anteriores tipos. Es un sistema de regulación que trata de aprovechar las ventajas de cada uno de los controladores de acciones básicas, de manera, que si la señal de error varía lentamente en el tiempo, predomina la acción proporcional e integral y, mientras que si la señal de error varía rápidamente, predomina la acción derivativa. Tiene la ventaja de ofrecer una respuesta muy rápida y una compensación de la señal de error inmediata en el caso de perturbaciones. Presenta el inconveniente de que este sistema es muy propenso a oscilar y los ajustes de los parámetros son mucho más difíciles de realizar. La salida del regulador viene dada por la siguiente ecuación: Que en el dominio de Laplace, será: Y por tanto la función de transferencia del bloque de control PID será:
  9. 9. 9  Redes neuronales: este sistema modela el proceso de aprendizaje del cerebro humano para aprender a controlar la señal de salida. Acciones de Control: La forma en la cual el controlador automático produce la señal de control se llama “acción de control”. Los controladores automáticos comparan el valor real de salida de la planta con la entrada de referencia, lo cual determina la desviación con la que el controlador debe producir una señal de control que reduzca la desviación. Los miembros de la familia de controladores PID, incluyen tres acciones: proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). Estos controladores son los denominados P, I, PI, PD y PID.  Acción de control proporcional, da una salida del controlador que es proporcional al error, es decir, u(t)=KP*e(t), que describe desde su función transferencia queda: CP (s) = KP. Donde Kp es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee desempeño limitado y error en régimen permanente (off-set).  Acción de control integral, da una salida del controlador que es proporcional al error acumulado, lo que implica que es un modo de controlar lento.  t tdteKi 0 )(*)(U(t) S K (s)Cp La señal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la señal de error e(t) es cero. Por lo que se concluye que dada una referencia constante, o perturbaciones, el error en régimen permanente es cero.  Acción de control proporcional-integral, se define mediante  t tdte Ti K tKp 0 )(*)()(U(t) Donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la acción integral. La función de transferencia resulta:
  10. 10. 10        Tps Kp 1 1Cpi(s) Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción de control distinta de cero. Con acción integral, un error pequeño positivo siempre nos daría una acción de control creciente, y si fuera negativa la señal de control seria decreciente. Este razonamiento sencillo nos muestra que el error en régimen permanente será siempre cero.  Acción de control proporcional-derivativa, se define: dt tde TdKptKpe )( **)(U(t)  Donde Td es una constante de denominada tiempo derivativo. Esta acción tiene carácter de previsión, lo que hace más rápida la acción de control, aunque tiene la desventaja importante que amplifica las señales de ruido y puede provocar saturación en el actuador. La acción de control derivativa nunca se utiliza por sı sola, debido a que solo es eficaz durante periodos transitorios. La función transferencia de un controlador PD resulta: TdKpsKp **(s)CPD  Por ejemplo, si durante la conducción de un automóvil, de repente, se produce alguna situación anómala (como un obstáculo imprevisto en la carretera, u otro vehículo que invade parcialmente nuestra calzada), de forma involuntaria, el cerebro envía una respuesta casi instantánea a las piernas y brazos, de forma que se corrija velocidad y dirección de nuestro vehículo para sortear el obstáculo. Si el tiempo de actuación es muy corto, el cerebro tiene que actuar muy rápidamente (control derivativo) y, por tanto, la precisión en la maniobra es muy escasa, lo que derivará a efectuar movimientos muy bruscos de forma oscilatoria. Estos movimientos bruscos pueden ser causa un accidente de tráfico. En este caso, el tiempo de respuesta y la experiencia en la conducción (ajuste del controlador derivativo) harán que el control derivativo producido por el cerebro del conductor sea o no efectivo.  Acción de control proporcional-integral-derivativa, esta acción combinada reúne las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación de un controlador con esta acción combinada se obtiene mediante:
  11. 11. 11 dt tde TdKptdte Ti K tKpe t )( **)()()(U(t) 0   Y su función transferencia resulta:        Tds Tis Kp * 1 1(s)CPID Como ejemplo de un sistema de control PID, podemos poner la conducción de un automóvil. Ejemplos de Acciones de Control:  Considerando el sistema de control del nivel de líquido de la siguiente figura, en donde se usa una válvula electromagnética para controlar el flujo de entrada. Esta válvula está abierta o cerrada. Con este control de dos posiciones, el flujo de entrada del agua es una constante positiva o cero.  Se desea controlar el caudal de un flujo de entrada en un reactor químico. En primer lugar se tiene que poner una válvula de control del caudal de dicho flujo, y un caudalímetro, con la finalidad de tener una medición constante del valor del caudal que circule. El controlador irá vigilando que el caudal que circule sea el establecido por nosotros; en el momento que detecte un error, mandará una señal a la válvula de control de modo que esta se abrirá o cerrará corrigiendo el error medido. Y tendremos de ese modo el flujo deseado y necesario. El PID es un cálculo matemático, lo que envía la información es el PLC.  Se desea mantener la temperatura interna de un reactor químico en su valor de referencia. Se debe tener un dispositivo de control de la temperatura (puede ser un calentador, una resistencia eléctrica,...), y un sensor (termómetro). El P, PI o PID irá controlando la variable (en este caso la temperatura). En el instante que esta no sea la correcta avisará al dispositivo de control de manera que este actúe, corrigiendo el error. De todos modos, lo más correcto es poner un PID; si hay mucho ruido, un PI, pero un P no nos sirve mucho puesto que no llegaría a corregir hasta el valor exacto.
  12. 12. 12 Conclusión: Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno omás procesos. Al principio los controladores estaban formadosexclusivamente por componentes discretos, conforme la tecnología fuedesarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de microcontroladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia con el valor medido del parámetro más importante a controlar en un proceso.

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