Clase 3 - Esquemas de Control

UNEFA 6º Semestre
Teoría de Control Automático
Coord. Ing. Electrónica
03/11/09
UNIDAD 1: Esquemas de sistemas de control
OBJETIVO: Explicar las configuraciones básicas de compensadores en sistemas de control de tiempo continuo y/o de tiempo discreto

Sistemas de Control:

Los métodos de análisis hasta ahora vistos, respuesta en el tiempo, en frecuencia,
LGR, etc. son herramientas cuya finalidad es obtener criterios para el diseño y/o
desarrollo de sistemas de control.

Conociendo
podemos diseñar Gc(s)

X(s) G(s) Y(s) X(s) G(s) X(s)

Comportamiento “libre” Comportamiento “controlado”

Según la naturaleza “libre” de G(s) se especifica un sistema de control que actúe sobre
G(s) para lograr un comportamiento “controlado”, es decir, que se ajuste o aproxime a
ciertos parámetros de comportamiento.

Prof. Camilo Duque - camilorene@gmail.com

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Definición de Sistema de Control.
Es un conjunto de componentes que buscan obtener ciertas características de
desempeño sobre un sistema particular. Aunque este concepto es muy amplio lo
restringiremos a el caso de una solo variable de interés.

Los componentes básicos de un sistema de control son:
Señal de entrada o comando.
Controlador o algoritmo de control
Actuador o elemento final de control
Señal de salida o resultado

Los objetivos típicos de un sistema de control son:
Estabilizar el comportamiento sistema (Estabilización)
Regular el sistema cerca de un punto deseado de operación (Regulación)
Seguir una determinada señal de comando (Tracking o seguimiento)
Reducir la respuesta a perturbaciones (Rechazo a perturbaciones)


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Términos usados en sistemas de control.
Planta. Cualquier objeto o sistema físico que se pueda controlar.

Proceso. Cualquier operación que se pueda controlar.

Variable controlada. La variable que se debe mantener en un valor deseado o dentro
de un rango aproximado a este.

Variable manipulada. La variable que el controlador modifica para afectar y mantener la
variable controlada en el punto de operación deseado.

Variable medida. La variable que se mide directamente para tener información directa o
indirecta sobre el valor actual de la variable controlada.

Punto de Consigna. (Set point o señal de referencia) es la señal de entrada que
especifica al sistema de control el valor deseado de la variable controlada.

Error. La diferencia entre el punto de consigna y la variable controlada.


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Controlador. Elemento del sistema de
controla que según un conjunto de reglas
(algoritmo de control) ejecuta acciones
sobre el actuador para lograr el controla
de la variable controlada..

Actuador. El componente que recibe la
señal de control del controlador y
produce la variación deseada en la
variable manipulada, comúnmente se le
llama elemento final de control.

Perturbación. Cualquier señal de
entrada que ocasione la desviación de la
variable controlada del punto de Tanque de agitación
consigna. y calentamiento


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Sistemas de Control en lazo abierto. Sus elementos son el controlador, el actuador y
la planta. Se aplica una señal de entrada (set point) al controlador y este genera la señal
de control al actuador quien modifica la variable manipulada para llevar la variable
controlada a un comportamiento deseado. Estos sistemas son muy simples y
económicos pero muy inexactos por lo que no se pueden aplicar en situaciones críticas.

Control de posición
de un brazo robot

El controlador nunca sabe si el actuador hizo lo que se supone que tenía que hacer!!!


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Sistemas de Control en lazo cerrado. A los elementos del lazo abierto se agrega un
comparador que calcula el error existente entre el set point y la variable controlada, el
error es la entrada del controlador y el resto continua como el caso anterior. El hecho de
medir la variable controlada y comparar con el set point se llama retroalimentación.

Control de posición de un
brazo robot

El controlador siempre trata de minimizar el error (“donde estas y donde quiero que
estés”)


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Efectos de la retroalimentación.
La retroalimentación afecta ciertos parámetros de desempeño del sistema a controlar y
siempre se buscará incrementar los efectos positivos y reducir los negativos.

La ganancia total del sistema compensado: aun si en la vía de retroalimentación no
hay una ganancia o atenuación, la ganancia del sistema controlado (sistema de control +
planta) puede incrementarse o disminuirse, aunque por ahora tomaremos el caso en que
aumenta, más adelante se verá que también la puede disminuir. El los sistemas de
control que estudiaremos no habrá ganancia en el camino de retroalimentación.

La estabilidad de la planta: si un sistema no puede mantenerse por si mismo dentro de
unos límites de operación razonables y a medida que el tiempo pasa su comportamiento
no converge se considera inestable. La retroalimentación puede mejorar o empobrecer la
estabilidad de un sistema si no se aplica cuidadosamente.

El rechazo a perturbaciones: en la mayoría de los casos la retroalimentación mejora el
desempeño de la planta frente a perturbaciones y ruido.


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Hasta ahora sólo hemos estudiado técnicas que nos permiten evaluar el
comportamiento “libre” de G(s) y presumir como puede ser el comportamiento
“controlado” que se obtiene al aplicar sobre G(s) un sistema de control (solo se ha
analizado aun lazo cerrado y con elemento de ganancia).

A partir de ahora veremos una variedad de sistemas de control posibles.

Salida del
Controlador
X(s) Gc(s) G(s) Y(s)
Set Point Variable Variable
CONTROLADOR Manipulada PLANTA Controlada

DB de un sistema de control de lazo abierto.

Salida del
Error Controlador
X(s) Σ Gc(s) G(s) Y(s)
Set Point + CONTROLADOR
Variable Variable
Manipulada PLANTA Controlada
-
H(s)
Variable
RETROALIMENTACION
Medida

DB de un sistema de control de lazo cerrado.

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Sistema de control de posición de una antena

Salida del
Error Controlador
Variable Variable
-
H(s)
Variable
RETROALIMENTACION
Medida


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Sistema de control de velocidad

Salida del
Error Controlador
Variable Variable
-
H(s)
Variable
RETROALIMENTACION
Medida


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Sistema de control de Temperatura de un tanque

Salida del
Error Controlador
Variable Variable
-
H(s)
Variable
RETROALIMENTACION
Medida


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Esquemas de Control:
Como ya sabemos la dinámica de un sistema lineal podemos representarla por su
diagrama en bloques respectivo y sus FT.

Cuando se habla de un sistema de control esto involucra varios elementos (cuáles?
Depende de la configuración), pero el más importante es el que llamamos controlador o
compensador cuya razón de ser es la de modificar el comportamiento “libre” del sistema
y obligarlo a que siga un comportamiento “controlado” específico.

La palabra compensador indica que su acción sobre el sistema es tal que “compensa
las fallas que tiene este para alcanzar el comportamiento deseado”.


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Las características y parámetros del controlador son el objetivo último del diseño, pero
para poder realizar su ajuste es necesario determinar la forma en que el controlador
estará conectado al sistema, esto es lo que llamamos configuración del sistema de
control.

La elección de la configuración del sistema de control debe hacerse de tal forma que el
rendimiento sea el máximo y esto es por que para un mismo problema hay varias
configuraciones posibles pero sólo una es mejor que las otras.


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Compensación en Serie o Cascada.
Es la más utilizada y es tal que el controlador se coloca en serie al sistema a
controlar.

Modelo3_1


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Compensación mediante realimentación.
Hay dos lazos cerrados de realimentación, el lazo externo es el que se ha
analizado hasta ahora y el interno es donde se ubica el controlador.

Modelo3_2


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Compensación en Serie y realimentada.
Resulta de la aplicación simultánea de las dos anteriores configuraciones.

Modelo3_3


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Compensación Directa con Cascada.
El primer controlador tiene como finalidad ajustar el valor deseado al resto del
sistema.

Modelo3_4


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Compensación Prealimentada.
El controlador prealimentado se usa para modificar la FT resultante del sistema en
lazo cerrado.

Modelo3_5


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