Servomotores.pptx

SERVOMOTORES
 Un servomotor es un tipo especial de motor que
permite controlar la posición del eje en un momento
dado. Esta diseñado para moverse determinada
cantidad de grados (generalmente hasta 180°) y
luego mantenerse fijo en una posición.
 Los servos se suelen utilizar en robótica,
automática y modelismo (vehículos por radio-
control, RC) debido a su gran precisión en el
posicionamiento.

 En general, los servos suelen estar compuestos
por 4 elementos fundamentales:
 Motor de corriente continua (DC):
Es el elemento que le brinda movilidad al servo.
Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales,
este motor gira en un sentido a su velocidad máxima.
Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso,
el sentido de giro también se invierte.
 Engranajes reductores:
Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta
velocidad de giro del motor para acrecentar su
capacidad de torque (o par-motor).

 Sensor de desplazamiento:
 Suele ser un potenciómetro colocado en el eje de
salida del servo que se utiliza para conocer la
posición angular del motor.
 Circuito de control:
 Es una placa electrónica que implementa una
estrategia de control de la posición por
realimentación. Para ello, este circuito compara la
señal de entrada de referencia (posición deseada)
con la posición actual medida por el potenciómetro.
La diferencia entre la posición actual y la deseada
es amplificada y utilizada para mover el motor en la
dirección necesaria para reducir el error.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
 Los servos disponen de tres cables: dos cables de
alimentación (positivo y negativo/masa) que
suministran un voltaje 4.8-6V y un cable de control
que indica la posición deseada al circuito de control
mediante señales PWM (“Pulse Width Modulation”).

LAS SEÑALES PWM
 Utilizadas para controlar los servos están formadas por
pulsos positivos cuya duración es proporcional a la
posición deseada del servo y que se repiten cada 20ms
(50Hz). Todos los servos pueden funcionar
correctamente en un rango de movimiento de 90º, que
se corresponde con pulsos PWM comprendidos entre
0.9 y 2.1ms.
 Sin embargo, también existen servos que se pueden
mover en un rango extendido de 180º y sus pulsos de
control varían entre 0.5 y 2.5ms. Antes de utilizar un
servo habrá que comprobar experimentalmente su
rango de movimiento para no dañarlo. Para mantener
fijo un servo en una posición habrá que enviar
periódicamente el pulso correspondiente; ya que si no
recibe señales, el eje del servo quedará libre y se podrá
mover ejerciendo una leve presión.

SERVOMOTORES NEUMÁTICOS
 Los motores controlados generalmente por
selenoide permiten controlar la salida del aire en
dispositivos neumáticos y controlar una
determinada tarea con un alto grado de precisión.
 La servoneumática es recomendable si son
importantes los siguientes criterios:
 Desea una precisión de repetición de décimas de
milímetros .
 Desea consumir hasta un 30 % menos de aire que
con los sistemas neumáticos convencionales

 desea reducir los costos a la mitad en comparación
con las soluciones eléctricas, con soluciones
capaces de combinar operaciones de
posicionamiento con funciones de regulación de la
fuerza

 Ofrecer la servoneumática de mayor rendimiento,
más fiable y con la mejor eficiencia energética del
mercado
 Ofrecer todo de una misma fuente: una gama
completa de productos servoneumáticos para girar,
sujetar, ejecutar movimientos lineales, controlar

VÁLVULA POSICIONADORA VPWP PARA
SERVONEUMÁTICA
 Con esta válvula
posicionadora puede
disponer ahora de la
función de regulación
de fuerza para el
controlador de posición
CPX-CMAX.
 Los sensores de
presión integrados
supervisan de forma
permanente la presión
en las cámaras del
actuador conectado.

ACTUADORES Y SISTEMAS DE MEDICIÓN
 Apropiados para una gran cantidad tareas de
posicionamiento: los actuadores con integración de
numerosas funciones y con sistema de medición de
recorrido integrado, combinan dinamismo, fuerza y
versatilidad neumática con una precisión de
posicionamiento de hasta ±0,2 mm.
 Trátese de aplicaciones con movimientos lineales o
giratorios, con la servoneumática es posible activar
una gran cantidad de actuadores neumáticos.

LAS VENTAJAS VIENEN INCLUIDAS: SISTEMA
INTEGRADO DE MEDICIÓN DE RECORRIDO
 Compacto y flexible: sin construcciones externas
que puedan interferir.
 Larga duración gracias al sistema de medición de
recorrido sin contacto y, por lo tanto, sin desgaste.
 Instalación y montaje muy sencillos mediante
accesorios de fijación incluidos en el conjunto
modular del cilindro correspondiente.

CILINDRO NORMALIZADO DNCI/DDPC
 Especificaciones técnicas
DNCI con diámetros de 32, 40, 50 y
63 mm
DDPC con diámetros de 80 y 100
mm
Carrera: 100... 750 mm
Fuerza máx. regulable: 4200 N
Apropiado para CPX-CMAX, CPX-
CMPX y como cilindro de medición
Características
Con sistema incremental de
medición de recorrido sin contacto
Diversas variantes de vástagos
Cilindro normalizado de
conformidad con la norma ISO
15552
Opcional con guía y unidad de
bloque

ACTUADOR LINEAL DGCI/DDLI
Especificaciones técnicas
Diámetro: 18 ... 63 mm
Carrera: 100 ... 2000 mm
Fuerza máx. regulable: 1680
N
Apropiado para CPX-CMAX,
CPX-CMPX y como cilindro
de medición
Características
DGCI: con guía de
rodamiento de bolas,
opcionalmente con bloqueo,
lubricación central y con
lubricación compatible con
alimentos

CONFIGURACIÓN Y OPCIONES
 El sistema de medición de recorrido se define en
función de la tarea, de la aplicación y del espacio
disponible.
 Ya sea para la medición absoluta, incremental, sin
contacto o potenciométrica, cada principio tiene sus
ventajas; el procedimiento potenciométrico es, por
ejemplo, especialmente apropiado para
ampliaciones posteriores.

APLICACIÓN
 Es ideal siempre que deba combinarse la fuerza
neumática con gran precisión, movimientos veloces
y una manipulación cuidadosa de las piezas.
 Ejemplo
 Máquina de procesamiento de madera

SOLDADURA DE PLACAS EN POSICIÓN SIMÉTRICA INVERSA

SERVOMOTORES ELÉCTRICOS
 Las características de control, sencillez y precisión
de los accionamientos eléctricos han hecho que
sean los mas usados en los robots industriales
actuales.

SERVOMOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
(CC)
 Los más habituales. funcionan con un pequeño
motor de corriente continua. El servomotor se
controla por PWM (modulación por ancho de
pulso), como ya explicamos.

 Son los más usados en la actualidad debido a su
facilidad de control. En este caso, se utiliza en el propio
motor un sensor de posición (Encoder) para poder
realizar su control.
 Los motores de DC están constituidos por dos
devanados internos, inductor e inducido, que se
alimentan con corriente continua:
 El inducido, también denominado devanado de
excitación, esta situado en el estator y crea un campo
magnético de dirección fija, denominado excitación.
 El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo
debido a la fuerza de Lorentz que aparece como
combinación de la corriente circulante por él y del
campo magnético de excitación. Recibe la corriente del
exterior a través del colector de delgas, en el que se
apoyan unas escobillas de grafito.

 Para que se pueda dar la conversión de energía
eléctrica en energía mecánica de forma continua es
necesario que los campos magnéticos del estator y
del rotor permanezcan estáticos entre sí.
 Esta transformación es máxima cuando ambos
campos se encuentran en cuadratura. El colector
de delgas es un conmutador sincronizado con el
rotor encargado de que se mantenga el ángulo
relativo entre el campo del estator y el creado por
las corrientes rotóricas.
 De esta forma se consigue transformar
automáticamente, en función de la velocidad de la
máquina, la corriente continua que alimenta al
motor en corriente alterna de frecuencia variable en
el inducido. Este tipo de funcionamiento se conoce
con el nombre de autopilotado.

 Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la
máquina. Si el motor está alimentado a tensión constante, se
puede aumentar la velocidad disminuyendo el flujo de excitación.
Pero cuanto más débil sea el flujo, menor será el par motor que
se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante,
mientras que la tensión del inducido se utiliza para controlar la
velocidad de giro.
 En los controlados por excitación se actúa al contrario.
Además, en los motores controlados por inducido se produce un
efecto estabilizador de la velocidad de giro originado por la
realimentación intrínseca que posee a través de la fuerza
contraelectromotriz. Por estos motivos, de los dos tipos de
motores DC es el controlado por inducido el que se usa en el
accionamiento con robots.
 Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el
campo de excitación se genera mediante imanes permanentes,
con lo que se evitan fluctuaciones del mismo. Estos imanes son
de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Además, para
disminuir la inercia que poseería un rotor bobinado, que es el
inducido, se construye éste mediante una serie de espiras
serigrafiadas en un disco plano, este tipo de rotor no posee
apenas masa térmica, lo que aumenta los problemas de
calentamiento por sobrecarga.

 Las velocidades de rotación que se consiguen con estos
motores son del orden de 1000 a 3000 rpm con un
comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo. Las
potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10KW.
 Como se ha indicado, los motores DC son controlados mediante
referencias de velocidad. Éstas normalmente son seguidas
mediante un bucle de retroalimentación de velocidad analógica
que se cierra mediante una electrónica específica (accionador
del motor). Se denominan entonces servomotores.
 Sobre este bucle de velocidad se coloca otro de posición, en el
que las referencias son generadas por la unidad de control
(microprocesador) sobre la base del error entre la posición
deseada y la real.
El motor de corriente continua presenta el inconveniente del
obligado mantenimiento de las escobillas. Por otra parte, no es
posible mantener el par con el rotor parado mas de unos
segundos, debido a los calentamientos que se producen en el
colector.
Para evitar estos problemas, se han desarrollado en los últimos
años motores sin escobillas. En estos, los imanes de excitación
se sitúan en el rotor y el devanado de inducido en el estator, con
lo que es posible convertir la corriente mediante interruptores
estáticos, que reciben la señal de conmutación a través de un
detector de posición del rotor.

SERVOMOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
(AC)
 pueden utilizar corrientes más potentes y por lo
tanto se usan para mover grandes fuerzas.

 Este tipo de motores no ha tenido aplicación en
robótica hasta hace unos años, debido
fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin
embargo, las mejoras que se han introducido en las
maquinas síncronas hacen que se presenten como
un claro competidor de los motores de corriente
continua. Esto se debe principalmente a tres
factores:
 La construcción de los motores síncronos sin
escobillas.
 El uso de convertidores estáticos que permiten
variar la frecuencia (y así la velocidad de giro) con
facilidad y precisión.
 El empleo de la microelectrónica, que permite una
gran capacidad de control.

MOTORES ASÍNCRONOS DE INDUCCIÓN
 Son probablemente los más sencillos y robustos de los motores
eléctricos. El rotor está constituido por varias
barras conductoras dispuestas paralelamente el eje del motor y
por dos anillos conductores en los extremos. El conjunto es
similar a una jaula de ardilla y por eso se le denomina también
motor de jaula de ardilla. El estator consta de un conjunto de
bobinas, de modo que cuando la corriente alterna trifásica las
atraviesa, se forma un campo magnético rotatorio en las
proximidades del estator. Esto induce corriente en el rotor, que
crea su propio campo magnético. La interacción entre ambos
campos produce un par en el rotor. No existe conexión eléctrica
directa entre estator y rotor.
 La frecuencia de la corriente alterna de la alimentación
determina la velocidad a la cual rota el campo magnético del
estator. El rotor sigue a este campo, girando más despacio. la
diferencia de velocidades se denomina deslizamiento. La
imagen adjunta exagera el deslizamiento. Si se sitúa el puntero
del ratón en uno de los polos del rotor y se sigue se notará que
no rota como el campo del estator. En la animación el
deslizamiento es aproximadamente el 25%. Un deslizamiento
normal ronda el 5%.

MOTORES SÍNCRONOS
 El motor síncrono, como su nombre indica, opera exactamente a
la misma velocidad que le campo del estator, sin deslizamiento.
 El inducido se sitúa en el rotor, que tiene polaridad constante
(imanes permanentes o bobinas), mientras que el inductor
situado en el estator, esta formado por tres devanados iguales
decalados 120° eléctricos y se alimenta con un sistema trifásico
de tensiones. Es preciso resaltar la similitud existente entre este
esquema de funcionamiento y el del motor sin escobillas.
 En los motores síncronos la velocidad de giro depende
únicamente de la frecuencia de la tensión que alimenta el
inducido. Para poder variar esta precisión, el control de
velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia. Para
evitar el riesgo de perdida de sincronismo se utiliza un sensor de
posición continuo que detecta la posición del rotor y permite
mantener en todo momento el ángulo que forman los campos del
estator y rotor. Este método de control se conoce como
autosíncrono o autopilotado.

 El motor síncrono autopilotado excitado con un imán
permanente, también llamado motor senoidal, no
presenta problemas de mantenimiento debido a que no
posee escobillas y tiene una gran capacidad de
evacuación de calor, ya que los devanados están en
contacto directo con la carcasa. El control de posición
se puede realizar sin la utilización de un sensor
adicional, aprovechando el detector de posición del
rotor que posee el propio motor. Además permite
desarrollar, a igualdad de peso, una potencia mayor que
el motor de corriente continua.
 En la actualidad diversos robots industriales emplean
este tipo de accionamientos con notables ventajas
frente a los motores de corriente continua.
En el caso de los motores asíncronos, no se ha
conseguido resolver satisfactoriamente los problemas
de control que presentan. Esto ha hecho que hasta el
momento no tengan aplicación en robótica.

SERVOMOTORES DE IMANES PERMANENTES O
BRUSHLESS:
 se llama brushless por que es un motor de
corriente alterna sin escobillas (como las que llevan
los de cc). Se utilizan para grandes torques o
fuerzas y para altas velocidades. Son los más
usados en la industria. Están basados en los
motores síncronos.

MOTOR PASO A PASO
 es un motor eléctrico, pero que no gira, sino que
avanza un "paso". No giran de manera continua
sino por pasos, es decir, giran un numero
determinado de grados. La característica principal
de estos motores es el hecho de poder moverlos
un paso a la vez por cada pulso que se le aplique.
Su control se basa en polarizar las bobinas que
llevan incluidas de manera adecuada para que
giren correctamente. Son ideales para la
construcción de mecanismos en donde se
requieren movimientos muy precisos.

 Los motores paso a paso generalmente no han
sido considerados dentro de los accionamientos
industriales, debido principalmente a que los pares
para los que estaban disponibles eran muy
pequeños y los pasos entre posiciones
consecutivas eran grandes. En los ultimo años se
han mejorado notablemente sus características
técnicas, especialmente en lo relativo a su control,
lo que ha permitido fabricar motores paso a paso
capaces de desarrollar pares suficientes en
pequeños pasos para su uso como accionamientos
industriales.

Existen tres tipos de motores paso a paso:
 De imanes permanentes
 De reluctancia variable
 Híbridos.

 Imanes permanentes, el rotor, que posee una polarización
magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al
campo magnético creado por las fases del estator.
 En los motores de reluctancia variable, el rotor está formado por
un material ferro-magnético que tiende a orientarse de modo que
facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético
generado por las bobinas de estator. No contiene, por tanto, imanes
permanentes. El estator es similar a un motor DC de escobillas.
La reluctancia de un circuito magnético es el equivalente magnético
a la resistencia de un circuito eléctrico. La reluctancia del circuito
disminuye cuando el rotor se alinea con el polo del estator. Cuando
el rotor está en línea con el estator el hueco entre el rotor y el
estator es muy pequeño. En este momento la reluctancia está al
mínimo.
La inductancia del bobinado también varía cuando el rotor gira.
Cuando el rotor está fuera de alineación, la inductancia es muy
baja, y la corriente aumentará rápidamente. Cuando el rotor se
alinea con el estator, la inductancia será muy grande. Esta es una
de las dificultades del manejo de un motor de reluctancia variable.

 Los motores híbridos combinan el modo de
funcionamiento de los dos anteriores.
 En los motores paso a paso la señal de control consiste
en trenes de pulsos que van actuando rotativamente
sobre una serie de electroimanes dispuestos en el
estator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor gira
un determinado número discreto de grados. Para
conseguir el giro del rotor en un determinado número de
grados, las bobinas del estator deben ser excitadas
secuencialmente a una frecuencia que determina la
velocidad de giro. Las inercias propias del arranque y
parada (aumentadas por las fuerzas magnéticas en
equilibrio que se dan cuando está parado) impiden que
el rotor alcance la velocidad nominal instantáneamente,
por lo que ésa, y por tanto la frecuencia de los pulsos
que la fija, debe ser aumentada progresivamente

 Para simplificar el control de estos motores existen
circuitos especializados que a partir de tres señales
(tren de pulsos, sentido de giro e inhibición)
generan, a través de una etapa lógica, las
secuencias de pulsos que un circuito de
conmutación distribuye a cada fase.
 A continuación se muestran las configuraciones
bipolar y unipolar respectivamente:

MOTORES P-P DE IMÁN PERMANENTE
 Son los mas usados en robótica. Básicamente,
están constituidos por un rotor sobre el que van
aplicados distintos imanes permanentes, y por un
cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en
su estator. Así, las bobinas son parte del estator y
el rotor es un imán permanente. Toda la
conmutación (o excitación de las bobinas) debe ser
externamente manejada por un controlador.

BIPOLAR
 Estos tienen generalmente
cuatro cables de salida.
Necesitan ciertos trucos
para ser controlados,
debido a que requieren del
cambio de dirección del
flujo de corriente a través
de las bobinas en la
secuencia apropiada para
realizar un movimiento.
Esto hace que la
controladora se vuelva mas
compleja y costosa. Su uso
no es tan común como en el
caso de los de tipo unipolar.

UNIPOLAR
 Estos motores suelen
tener 8, 6 o 5 cables de
salida, dependiendo de
su conexionado
interno. Este tipo se
caracteriza por ser más
simple de controlar.

SERVOMOTORES DE MODELISMO
 Para los efectos de este post nos interesan los
servomotores de modelismo, que son los utilizados
en prototipos de robótica.
 Los servomotores de modelismo operan a voltajes
bajos en corriente directa, típicamente entre 4 y 6
voltios. Los servomotores industriales operan tanto
en DC como en AC (monofásico o trifásico).

POSICIONADORES ELECTRONEUMÁTICOS
 Los posicionadores electromecánicos son
posicionadores neumáticos convencionales que poseen
un transductor electroneumático adicional integrado. El
transductor recibe la señal de entrada de CC
analógica del sistema de control y la convierte en una
señal neumática proporcional, que luego se envía al
posicionador convencional. Prácticamente todos los
posicionadores neumáticos tienen la opción de agregar
un transductor electroneumático integrado. Esta opción
permite que los clientes actualicen su tecnología de
control existente al tiempo que continúan usando su
fiable tecnología de posicionador Fisher actual, con la
que están cómodos y familiarizados.

FISHER® 3582I
 El posicionador
electroneumático de acción
simple Fisher® 3582i se usa
con conjuntos de válvulas de
control de vástago deslizante
accionadas por diafragma. El
posicionador
electroneumático recibe una
señal de entrada electrónica
de un dispositivo de control y
modula la presión de
suministro hacia el actuador
de la válvula de control,
ofreciendo una posición
precisa del vástago de la
válvula que es proporcional a
la señal de entrada
neumática recibida desde un
dispositivo de control.

FISHER® 3620J
 El posicionador
electroneumático de acción
simple Fisher® 3620J se
usa con actuadores
rotativos para posicionar
con precisión válvulas de
control que se usan en
aplicaciones de regulación.
El posicionador se monta
integralmente en la carcasa
del actuador. Estos
posicionadores resistentes
ofrecen una posición de
válvula proporcional a una
señal de entrada
neumática.

CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL
DERIVADO PID
 Un controlador PID es un mecanismo de control por
realimentación ampliamente usado en sistemas de
control industrial. Este calcula la desviación o error
entre un valor medido y un valor deseado.
 El algoritmo del control PID consiste de tres parámetros
distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El
valor Proporcional depende del error actual. El Integral
depende de los errores pasados y el Derivativo es una
predicción de los errores futuros. La suma de estas tres
acciones es usada para ajustar al proceso por medio de
un elemento de control como la posición de una válvula
de control o la potencia suministrada a un calentador.

 Cuando no se tiene conocimiento del proceso, históricamente
se ha considerado que el controlador PID es el controlador
más adecuado. Ajustando estas tres variables en el algoritmo
de control del PID, el controlador puede proveer una acción
de control diseñado para los requerimientos del proceso en
específico. La respuesta del controlador puede describirse en
términos de la respuesta del control ante un error, el grado el
cual el controlador sobrepasa el punto de ajuste, y el grado
de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para
control no garantiza control óptimo del sistema o la
estabilidad del mismo.
 Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos
modos de los que provee este sistema de control. Un
controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la
ausencia de las acciones de control respectivas. Los
controladores PI son particularmente comunes, ya que la
acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del
proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado
debido a la acción de control.

FUNCIONAMIENTO
 Para el correcto funcionamiento de un controlador
PID que regule un proceso o sistema se necesita,
al menos:
 Un sensor, que determine el estado del sistema
(termómetro, caudalímetro, manómetro, etc).
 Un controlador, que genere la señal que gobierna
al actuador.
 Un actuador, que modifique al sistema de manera
controlada (resistencia eléctrica, motor, válvula,
bomba, etc).

 El sensor proporciona una señal analógica o digital al
controlador, la cual representa el punto actual en el que
se encuentra el proceso o sistema. La señal puede
representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de
corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la
señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos
anteriores, que también pueden ser con corriente
continua.
 El controlador recibe una señal externa que representa
el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el
nombre de punto de consigna (o punto de referencia,
valor deseado o set point), la cual es de la misma
naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la
señal que proporciona el sensor. Para hacer posible
esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser
entendida por un humano, habrá que establecer algún
tipo de interfaz (HMI-Human Machine Interface), son
pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se
usan para hacer más intuitivo el control de un proceso.

 El controlador resta la señal de punto actual a la señal
de punto de consigna, obteniendo así la señal de error,
que determina en cada instante la diferencia que hay
entre el valor deseado (consigna) y el valor medido. La
señal de error es utilizada por cada uno de los 3
componentes del controlador PID. Las 3 señales
sumadas, componen la señal de salida que el
controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La
señal resultante de la suma de estas tres se llama
variable manipulada y no se aplica directamente sobre
el actuador, sino que debe ser transformada para ser
compatible con el actuador utilizado.
 Las tres componentes de un controlador PID son: parte
Proporcional, acción Integral y acción Derivativa. El
peso de la influencia que cada una de estas partes tiene
en la suma final, viene dado por la constante
proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo,
respectivamente. Se pretenderá lograr que el bucle de
control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo
posible los efectos de las perturbaciones.

PROPORCIONAL
 La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de
error y la constante proporcional para lograr que el error en estado
estacionario se aproxime a cero, pero en la mayoría de los casos,
estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del
rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para
cada porción del rango. Sin embargo, existe también un valor
límite en la constante proporcional a partir del cual, en algunos
casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este
fenómeno se llama sobreoscilación y, por razones de seguridad,
no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte
proporcional ni siquiera produzca sobreoscilación. Hay una
relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la
posición del elemento final de control (la válvula se mueve al
mismo valor por unidad de desviación). La parte proporcional no
considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el
error permanente y hacer que el sistema contenga alguna
componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo,
es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa.

 La fórmula del proporcional está dada por:
 El error, la banda proporcional y la posición inicial
del elemento final de control se expresan en tanto
por uno. Nos indicará la posición que pasará a
ocupar el elemento final de control.
 Ejemplo: Cambiar la posición de una válvula
(elemento final de control) proporcionalmente a la
desviación de la temperatura (variable) respecto al
punto de consigna (valor deseado).

INTEGRAL
 El modo de control Integral tiene como propósito
disminuir y eliminar el error en estado estacionario,
provocado por perturbaciones exteriores y los cuales no
pueden ser corregidos por el control proporcional. El
control integral actúa cuando hay una desviación entre
la variable y el punto de consigna, integrando esta
desviación en el tiempo y sumándola a la acción
proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la
función de promediarlo o sumarlo por un período
determinado; Luego es multiplicado por una constante
Ki. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada
al modo Proporcional para formar el control P + I con el
propósito de obtener una respuesta estable del sistema
sin error estacionario.

 El modo integral presenta un desfasamiento en la
respuesta de 90º que sumados a los 180º de la retro-
alimentación ( negativa ) acercan al proceso a tener un
retraso de 270º, luego entonces solo será necesario que
el tiempo muerto contribuya con 90º de retardo para
provocar la oscilación del proceso. <<< la ganancia total
del lazo de control debe ser menor a 1, y así inducir una
atenuación en la salida del controlador para conducir el
proceso a estabilidad del mismo. >>> Se caracteriza por
el tiempo de acción integral en minutos por repetición.
Es el tiempo en que delante una señal en escalón, el
elemento final de control repite el mismo movimiento
correspondiente a la acción proporcional.
 El control integral se utiliza para obviar el inconveniente
del offset (desviación permanente de la variable con
respecto al punto de consigna) de la banda
proporcional.

 La fórmula del integral está dada por:
 Ejemplo: Mover la válvula (elemento final de
control) a una velocidad proporcional a la
desviación respecto al punto de consigna (variable
deseada ).

DERIVATIVO
 La acción derivativa se manifiesta cuando hay un
cambio en el valor absoluto del error; (si el error es
constante, solamente actúan los modos proporcional e
integral).
 El error es la desviación existente entre el punto de
medida y el valor consigna, o "Set Point".
 La función de la acción derivativa es mantener el error
al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la
misma velocidad que se produce; de esta manera evita
que el error se incremente.
 Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una
constante Kd y luego se suma a las señales anteriores
(P+I). Es importante adaptar la respuesta de control a
los cambios en el sistema ya que una mayor derivativa
corresponde a un cambio más rápido y el controlador
puede responder acordemente.

 La fórmula del derivativo está dada por:
 El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción
derivada en minutos de anticipo. La acción derivada es
adecuada cuando hay retraso entre el movimiento de la válvula
de control y su repercusión a la variable controlada.
 Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay
inestabilidad en el proceso. Cuando el tiempo de acción derivada
es pequeño la variable oscila demasiado con relación al punto
de consigna. Suele ser poco utilizada debido a la sensibilidad al
ruido que manifiesta y a las complicaciones que ello conlleva.
 El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la
variable al punto de consigna con las mínimas oscilaciones
 Ejemplo: Corrige la posición de la válvula (elemento final de
control) proporcionalmente a la velocidad de cambio de la
variable controlada.
 La acción derivada puede ayudar a disminuir el rebasamiento de
la variable durante el arranque del proceso. Puede emplearse en
sistemas con tiempo de retardo considerables, porque permite
una repercusión rápida de la variable después de presentarse
una perturbación en el proceso.

AJUSTE DE PARÁMETROS DEL PID
 El objetivo de los ajustes de los parámetros PID es lograr que
el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo
los efectos de las perturbaciones; se tiene que lograr la
mínima integral de error. Si los parámetros del controlador
PID (la ganancia del proporcional, integral y derivativo) se
eligen incorrectamente, el proceso a controlar puede ser
inestable, por ejemplo, que la salida de este varíe, con o sin
oscilación, y está limitada solo por saturación o rotura
mecánica. Ajustar un lazo de control significa ajustar los
parámetros del sistema de control a los valores óptimos para
la respuesta del sistema de control deseada. El
comportamiento óptimo ante un cambio del proceso o cambio
del "setpoint" varía dependiendo de la aplicación.
Generalmente, se requiere estabilidad ante la respuesta dada
por el controlador, y este no debe oscilar ante ninguna
combinación de las condiciones del proceso y cambio de
"setpoints".

 Algunos procesos tienen un grado de no linealidad y
algunos parámetros que funcionan bien en condiciones
de carga máxima no funcionan cuando el proceso está
en estado de "sin carga". Hay varios métodos para
ajustar un lazo de PID. El método más efectivo
generalmente requiere del desarrollo de alguna forma
del modelo del proceso, luego elegir P, I y D basándose
en los parámetros del modelo dinámico. Los métodos
de ajuste manual pueden ser muy ineficientes. La
elección de un método dependerá de si el lazo puede
ser "desconectado" para ajustarlo, y del tiempo de
respuesta del sistema. Si el sistema puede
desconectarse, el mejor método de ajuste a menudo es
el de ajustar la entrada, midiendo la salida en función
del tiempo, y usando esta respuesta para determinar los
parámetros de control. Ahora describimos como realizar
un ajuste manual.

AJUSTE MANUAL
 Si el sistema debe mantenerse online, un método de
ajuste consiste en establecer primero los valores de I y
D a cero. A continuación, incremente P hasta que la
salida del lazo oscile. Luego establezca P a
aproximadamente la mitad del valor configurado
previamente. Después incremente I hasta que el
proceso se ajuste en el tiempo requerido (aunque subir
mucho I puede causar inestabilidad). Finalmente,
incremente D, si se necesita, hasta que el lazo sea lo
suficientemente rápido para alcanzar su referencia tras
una variación brusca de la carga.
 Un lazo de PID muy rápido alcanza su setpoint de
manera veloz, un lazo de PID no tan rápido alcanza su
setpoint de manera no tan veloz. Algunos sistemas no
son capaces de aceptar este disparo brusco; en estos
casos se requiere de otro lazo con un P menor a la
mitad del P del sistema de control anterior.

LIMITACIONES DE UN CONTROL PID
 Mientras que los controladores PID son aplicables a la mayoría
de los problemas de control, puede ser pobres en otras
aplicaciones. Los controladores PID, cuando se usan solos,
pueden dar un desempeño pobre cuando la ganancia del lazo
del PID debe ser reducida para que no se dispare u oscile sobre
el valor del "setpoint". El desempeño del sistema de control
puede ser mejorado combinando el lazo cerrado de un control
PID con un lazo abierto. Conociendo el sistema (como la
aceleración necesaria o la inercia) puede ser accionado y
combinado con la salida del PID para aumentar el desempeño
final del sistema. Solamente el valor de avanacción (o Control
prealimentado) puede proveer la mayor porción de la salida del
controlador. El controlador PID puede ser usado principalmente
para responder a cualquier diferencia o "error" que quede entre
el setpoint y el valor actual del proceso. Como la salida del lazo
de avanacción no se ve afectada a la realimentación del
proceso, nunca puede causar que el sistema oscile, aumentando
el desempeño del sistema, su respuesta y estabilidad.

 Por ejemplo, en la mayoría de los sistemas de control con
movimiento, para acelerar una carga mecánica, se necesita
de más fuerza (o torque) para el motor. Si se usa un lazo
PID para controlar la velocidad de la carga y manejar la
fuerza o torque necesaria para el motor, puede ser útil tomar
el valor de aceleración instantánea deseada para la carga, y
agregarla a la salida del controlador PID. Esto significa que
sin importar si la carga está siendo acelerada o
desacelerada, una cantidad proporcional de fuerza está
siendo manejada por el motor además del valor de
realimentación del PID. El lazo del PID en esta situación usa
la información de la realimentación para incrementar o
decrementar la diferencia entre el setpoint y el valor del
primero. Trabajando juntos, la combinación avanacción-
realimentación provee un sistema más confiable y estable.

 Otro problema que posee el PID es que es lineal.
Principalmente el desempeño de los controladores
PID en sistemas no lineales es variable. También
otro problema común que posee el PID es, que en
la parte derivativa, el ruido puede afectar al
sistema, haciendo que esas pequeñas variaciones,
hagan que el cambio a la salida sea muy grande.
Generalmente un Filtro pasa bajo ayuda, ya que
elimina las componentes de alta frecuencia del
ruido. Sin embargo, un FPB y un control derivativo
pueden hacer que se anulen entre ellos.
Alternativamente, el control derivativo puede ser
sacado en algunos sistemas sin mucha pérdida de
control. Esto es equivalente a usar un controlador
PID como PI solamente.

EJEMPLOS PRÁCTICOS
 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.

APLICACIONES
 Lazos de temperatura (aire acondicionado,
calentadores, refrigeradores, etc.)
 Lazos de nivel (nivel en tanques de líquidos como
agua, lácteos, mezclas, crudo, etc.)
 Lazos de presión (para mantener una presión
predeterminada en tanques, tubos, recipientes,
etc.)
 Lazos de caudal (mantienen el caudal dentro de
una línea o cañería)

SISTEMA DE CONTROL
 Un sistema de control es un conjunto de
dispositivos encargados de administrar, ordenar,
dirigir o regular el comportamiento de otro sistema,
con el fin de reducir las probabilidades de fallo y
obtener los resultados teóricamente verdaderos.
Por lo general, se usan sistemas de control
industrial en procesos de producción industriales
para controlar equipos o máquinas.

 Existen dos clases comunes de sistemas de
control, sistemas de lazo abierto y sistemas de lazo
cerrado. En los sistemas de control de lazo abierto
la salida se genera dependiendo de la entrada;
mientras que en los sistemas de lazo cerrado la
salida depende de las consideraciones y
correcciones realizadas por la retroalimentación.
Un sistema de lazo cerrado es llamado también
sistema de control con realimentación. Los
sistemas de control más modernos en ingeniería
automatizan procesos sobre la base de muchos
parámetros y reciben el nombre de controladores
de automatización programables (PAC).

OBJETIVOS
 Los sistemas de control deben conseguir los
siguientes objetivos:
 Ser estables y robustos frente a perturbaciones y
errores en los modelos.
 Ser eficiente según un criterio preestablecido
evitando comportamientos bruscos e irreales.

NECESIDADES DE LA SUPERVISIÓN DE
PROCESOS
 Limitaciones de la visualización de los sistemas de
adquisición y control.
 Control vs monitoreo del proceso
 Control software. Cierre de lazo de control.
 Recoger, almacenar y visualizar información.
 Minería de datos.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
SEGÚN SU COMPORTAMIENTO Y MEDICIÓN
 Control: selección de las entradas de un sistema de
manera que los estados o salidas cambien de acuerdo
a una manera deseada. Los elementos son:
 Siempre existe para verificar el logro de los objetivos
que se establecen en la planeación.
 Medición. Para controlar es imprescindible medir y
cuantificar los resultados.
 Detectar desviaciones. Una de las funciones inherentes
al control, es descubrir las diferencias que se presentan
entre la ejecución y la planeación.
 Establecer medidas correctivas. El objeto del control es
prever y corregir los errores.
 Factores de control; Cantidad, Tiempo, costo, Calidad.

 Controlador: (Electrónica). Es un dispositivo
electrónico que emula la capacidad de los seres
humanos para ejercer control. Por medio de cuatro
acciones de control: compara, calcula, ajusta y limita.
 Proceso: operación o desarrollo natural
progresivamente continúo, marcado por una serie de
cambios graduales que se suceden uno al otro en una
forma relativamente fija y que conducen a un resultado
o propósito determinados. Operación artificial o
voluntaria progresiva que consiste en una serie de
acciones o movimientos controlados, sistemáticamente
dirigidos hacia un resultado o propósito determinados.
Ejemplos: procesos químicos, económicos y biológicos.
 Supervisión: acto de observar el trabajo y tareas de otro
(individuo o máquina) que puede no conocer el tema en
profundidad.

SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO
 Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal
de entrada y da como resultado una señal de salida
independiente a la señal de entrada, pero basada en la
primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el
controlador para que éste pueda ajustar la acción de control.
Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de
entrada para el controlador.
 Ejemplo 1: Un tanque con una manguera de jardín. Mientras
que la llave siga abierta, el agua fluirá. La altura del agua en
el tanque no puede hacer que la llave se cierre y por tanto no
nos sirve para un proceso que necesite de un control de
contenido o concentración.
 Ejemplo 2: Al hacer una tostada, lo que hacemos es controlar
el tiempo de tostado de ella misma entrando una variable (en
este caso el grado de tostado que queremos). En definitiva, el
que nosotros introducimos como parámetro es el tiempo.

 Estos sistemas se caracterizan por:
 Ser sencillos y de fácil concepto.
 Nada asegura su estabilidad ante una perturbación.
 La salida no se compara con la entrada.
 Ser afectado por las perturbaciones. Estas pueden
ser tangibles o intangibles.
 La precisión depende de la previa calibración del
sistema.

SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO
 Son los sistemas en los que la acción de control está en
función de la señal de salida. Los sistemas de circuito
cerrado usan la retroalimentación desde un resultado
final para ajustar la acción de control en consecuencia.
 El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se
da alguna de las siguientes circunstancias:
 Cuando un proceso no es posible de regular por el
hombre.
 Una producción a gran escala que exige grandes
instalaciones y el hombre no es capaz de manejar.
 Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos
casos y requiere una atención que el hombre puede
perder fácilmente por cansancio o despiste, con los
consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al
trabajador y al proceso.

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