Acciones básicas de control y controladores automáticos industriales

1. Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
Ingeniería Mecánica Eléctrica
Eléctrica-Electrónica
Control Analógico
Acciones básica de control y controladores automáticos
Itzel Ramírez Morales
2601
7 de marzo de 2012

2. Acciones básicas de control y controladores automáticos
industriales
Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con
la entrada de referencia (valor deseado), determina el error, y produce una señal
de control que reducirá a cero. La forma como el controlador automático
produce la señal de control, se denomina acción de control.
Aquí se hace una introducción al principio de funcionamiento de los
controladores neumáticos e hidráulicos y los métodos para la generación de
diversas acciones de control.
Acciones básicas de control
Clasificación de controladores industriales analógicos
Los controladores industriales analógicos, se pueden clasificar de acuerdo con
sus acciones de control:
1. Controladores de dos posiciones
2. Controladores proporcionales
3. Controladores integrales
4. Controladores proporcional-integral
5. Controladores tipo proporcional-derivativo
6. Controladores tipo proporcional-integrativo-derivativo
Los controladores analógicos industriales utilizan electricidad o algún fluido, a
modo de fuentes de potencia. También se pueden clasificar según el tipo de
potencia que utilizan en su operación, como neumáticos, hidráulicos o
electrónicos.
Controlador Neumático, actuador y sensor (elemento de medición).
El controlador automático está constituido por un detector de error y un
amplificador. El controlador detecta la señal de error, que suele estar a un nivel
de potencia muy bajo, y la amplifica a un nivel suficientemente alto (o
diferenciándola o integrándola), para producir una mejor señal de control.
El actuador es un dispositivo de potencia que produce la entrada a la planta, de
acuerdo con a señal de control, de modo que la señal de retroalimentación
corresponda a la señal de entrada de referencia. La salida de un controlador
automático alimenta a un actuador, que bien puede ser un motor o una válvula
neumática, un motor hidráulico o uno eléctrico.

3. El sensor o elemento de medición es un dispositivo que convierte la variable la
variable de salida en otra variable adecuada, como un desplazamiento o
presión, que se utilizan para comparar la salida con la señal de entrada de
referencia. Este elemento es el camino de retroalimentación de lazo cerrado.
Controladores auto-operados.
En el sistema de control más simple se utiliza el controlador auto-operado. Estos
dispositivos utilizan la energía desarrollada por un elemento de medición y son
muy simples y económicos.
El funcionamiento de un controlador auto-operado es el siguiente: la presión de
salida es inferior a la presión de referencia, según el punto de ajuste o regulación.
Entonces, la fuerza descendente del resorte es superior a la fuerza ascendente de
la presión, produciéndose un desplazamiento del diafragma hacia abajo, lo que
aumenta el flujo e incrementa la presión de salida. Cuando la presión iguala la
fuerza del resorte, el vástago de la válvula permanece estacionario y el flujo es
constante. Al contrario, si la presión de salida llega a ser muy mayor que la
presión de referencia, se reduce la apertura de la válvula y disminuye el flujo a
través de la misma. Este tipo de controladores se utilizan en el control de presión
de gua y gas.
Acciones de control.
En controladores industriales es muy común encontrar los siguientes seis tipos de
acción básica de control: de dos posiciones o de encendido y apagado,
proporcional, integral, proporcional e integral, proporcional y derivativo, y
proporcional, derivativo e integral.
Acción de control de dos posiciones o de encendido-apagado.
En un sistema de control de dos posiciones, el actuador tiene solo dos posiciones
fijas, conectado y desconectado; es relativamente simple y económico y se usa
ampliamente en sistemas de control, industriales como domésticos.
En un controlador de dos posiciones, sea la señal de salida del controlador y
la señal de error, la señal permanece en un valor mínimo o máximo,
según sea la señal de error positiva o negativa
En general los controladores de dos porciones son dispositivos eléctricos. Los
controladores neumáticos proporcionales con muy altas ganancias también
actúan como controladores de dos posiciones.

4. Acción de control proporcional.
La relación entre la salida del controlador y la señal de error , es:
Donde es la ganancia proporcional.
Sin importar el mecanismo y potencia que lo alimenta, el controlador
proporcional es un amplificador con ganancia ajustable.
Acción de control integral.
El valor de la salida del controlador varía en razón proporcional a la señal de
error . Es decir,
∫
Si se duplica el valor de la señal de error el valor de salida del controlador varía a
doble velocidad. Ante un error igual a cero, el valor de salida permanece
estacionario. La acción de control integra recibe el nombre de control de
reposición o restablecimiento.
Acción de control proporcional e integral.
Queda definido por la siguiente ecuación:
∫
Donde la ganancia proporcional y el tiempo integral son ajustables. El tiempo
integral regula la acción de control integral y su recíproco es la frecuencia de
reposición, que es la cantidad de veces por minuto que se repite la acción
proporcional.
Acción de control proporcional derivativo.
Cuya función de transferencia es:
Donde la ganancia de proporcionalidad y el tiempo derivativo son regulables. La
acción de control derivativa también llamada control de velocidad, se presenta
cuando el valor de la salida del controlador es proporcional a la velocidad de
variación de la señal de error. El tiempo derivativo es el intervalo de tiempo en el

5. que la acción de derivativa se adelanta al efecto de acción proporcional, se
adelanta al error pero produce un efecto de saturación en el actuador y
amplifica las señales de ruido.
Acción de control proporcional-integral-derivativo.
Esta combinación tiene la ventaja de cada una de las tres acciones de control
individuales. La función de transferencia característica es:
Controladores Neumáticos
Los sistemas neumáticos se utilizan en la automatización de maquinaria de
producción y en el campo de los controladores neumáticos. En las últimas
décadas se ha visto un gran desarrollo de controladores neumáticos de baja
presión para sistemas de control industrial. Las razones de su preferencia incluyen
la inmunidad de explosiones, su sencillez y su facilidad de mantenimiento.
Las principales características de los sistemas neumáticos son:
 La compresibilidad de los gases
 El aire carece de propiedades lubricantes y siempre contendrá vapor de
agua
 Ofrece una presión de operación normal de los sistemas neumáticos menor
 La potencia de salida de los sistemas neumáticos es considerablemente
pequeña
 La precisión de los accionadores neumáticos es pobre a bajas
velocidades
 Se toleran ciertas pérdidas, pero deberá evitarse las fugas internas, porque
las diferencias de presión son bajas
 No requiere tuberías de retorno
 Las temperaturas normales de funcionamiento para los sistemas
neumáticos van de 5° a 60°C, pero puede funcionar en un rango de 0° a
200°C
Resistencia y Capacitancia de sistemas de presión.
El flujo de gas a través de una restricción, es una función de diferencial de
presiones de gas . Donde podemos decir que la resistencia al flujo es

6. La capacitancia del tanque de presión se puede definir como:
La cual será constante si la temperatura se mantiene constante.
Amplificadores neumáticos de tobera-aleta.
La fuente de potencia para este amplificador es una provisión de aire a presión
constante. El amplificador de tobera-aleta convierte las pequeñas modificaciones
en la posición de la aleta en grandes cambios de presión antes de la tobera. Así
se puede controlar una salida de gran potencia, con la mínima potencia
requerida para fijar la posición de la aleta.
El amplificador de la tobera-aleta convierte el desplazamiento en una señal de
presión.
Relevadores Neumáticos.
El relevador neumático puede controlar grandes flujos de aire. Algunos de ellos
son de acción reversible y otros más del tipo drenaje y no drenaje, que basan su
funcionamiento en la liberación del aire antes o después de haber alcanzado su
condición de equilibrio.
Válvulas neumáticas.
Puede brindar una gran potencia de salida. La presión de control para este tipo
de válvula es entre 3 y 15 psig. El desplazamiento del vástago da la válvula está
limitado por el recorrido permisible del diafragma. Si se requiere de un recorrido
mayor se empleará una combinación de pistón y resorte.
En válvulas neumáticas, la fuerza de fricción estática debe quedar limitada a un
valor pequeño, para que no quede una histéresis excesiva.
Controladores Hidráulicos

7. Debido a su positividad, precisión, flexibilidad, elevada relación entre potencia y
peso, arranque rápido, rápida retención, inversión con suavidad y precisión, y
simplicidad de operación, los circuitos hidráulicos contienen una amplia
aplicación en máquinas, herramientas, sistemas de control y operaciones
similares.
La presión operativa en sistemas hidráulicos, está entre 145 y 5000
libras/pulgada . Con sistemas hidráulicos de alta presión se pueden obtener
fuerzas muy grandes. Utilizando estos sistemas se pueden lograr rápidos y precisos
posicionamientos de cargas pesadas.
Entre las grandes ventajas de los sistemas hidráulicos están:
 El fluido hidráulico actúa como lubricante, además lleva el calor generado
en el sistema a un intercambiador de calor adecuado
 Los accionadores hidráulicos pequeños comparativamente pueden
desarrollar fuerzas o pares generales
 Los accionadores hidráulicos tienen una velocidad de respuesta más agil,
con arranques rápidos, detenciones e inversores de velocidad
 Los accionadores hidráulicos pueden operarse sin sufrir daño en forma
contínua, intermitente, en reversa o frenado
 La disponibilidad de accionadores tanto líneas como rotativos brinda
flexibilidad en el diseño
 Debido a la baja pérdida de los accionadores hidráulicos, la caída de
velocidad al aplicar cargas es pequeña
Siempre deberá considerarse que el sistema hidráulico sea estable bajo todas las
condiciones de funcionamiento. Como la viscosidad del fluido hidráulico afecta
en gran medida los efectos del amortiguamiento y fricción de los circuitos
hidráulicos, las pruebas deberán de ser realizadas en temperaturas muy altas.
Amortiguadores.
El amortiguador actúa como un elemento diferenciador. Supóngase que se
introduce un desplazamiento escalón en la posición x del pistón. De momento se
produce un desplazamiento “y” igual a “x”. Sin embargo debido a la acción del
resorte, fluye aceite a través de la resistencia R y el cilindro ingresa a su posición
original.
La función de transferencia entre ambos desplazamientos está dado por:
El gasto está dado por:

8. Así, la función de transferencia del sistema estará:
Controladores hidráulicos integrales.
Su función de transferencia será:
Controladores hidráulicos proporcionales.
Cuya función de transferencia será: