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SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE CONTROL

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SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE CONTROL

Los procesos industriales exigen el control de todas las magnitudes que afectan al sistema: presión, caudal,

temperatura, velocidad, posición,…

En un principio el control de los procesos industriales dependía totalmente de la acción del hombre pero, en

la actualidad, están automatizados. El hombre se limita a controlar, supervisar y a realizar operaciones

indispensables.

En general todo sistema está expuesto a variaciones y perturbaciones que tienden a desequilibrarlo (ej

cuando controlamos la temperatura de una habitación y abrimos una ventana se produce una perturbación

brusca en el sistema).

La finalidad de todo sistema de control será conocer las perturbaciones y mantener el proceso

industrial dentro de unos márgenes adecuados para lograr la calidad final deseada en el producto

que se fabrica.

1. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO

Un sistema de control en lazo cerrado es aquel en el que la salida del sistema actúa sobre la

entrada por medio de la realimentación, de este modo, los resultados de la planta o proceso son

comparados con los que se deseaban obtener. De esta forma se puede reaccionar ante las

perturbaciones o cambios inesperados que afecten a la planta o proceso controlado.

La entrada al sistema llega a un transductor. El transductor adapta la señal de entrada a una señal que pueda entender el sistema (tensión, valor digital,…), transformará una magnitud física en otra que pueda ser

asimilada por el sistema de control.

Elcomparador genera la señal de error que será el resultado de comparar lo que deseamos obtener en el proceso y lo que realmente estamos obteniendo, o sea compara la señal de entrada con la señal de salida.

Elregulador o control es el “cerebro”, el que actúa en función de la señal de error que le llega y pone en marcha a los actuadores que son los que van a modificar el estado del proceso para estabilizarlo y

mantenerlo dentro de los parámetros establecidos. El regulador o control suele ser un elemento electrónico,

un ordenador o similar, aunque también puede ser un elemento mecánico más simple como el termostato

de un brasero. Los actuadores pueden ser motores eléctricos, cilindros neumáticos o hidráulicos,

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TRANSFORMADA DE LAPLACE

Un sistema es una combinación de elementos que actúan conjuntamente y realizan una función

determinada. Este concepto puede aplicarse a la física, química, industria, economía,…

Todo sistema ante una ENTRADA presentará una respuesta o SALIDA.

La teoría de los sistemas se vale de sistemas matemáticos que intentan representar el funcionamiento de

cualquier sistema. Aplicando las matemáticas se pretende dar sentido a sistemas complejos y facilitar su

comprensión. Si lo conseguimos podríamos saber como reaccionará el sistema ente determinadas

entradas.

Las ecuaciones matemáticas que representan al sistema pueden ser muy complejas y de difícil resolución.

Podemos transformarlas en otras equivalentes más sencillas mediante la transformada de Laplace.

Las ecuaciones que utilizamos en tecnología se desarrollan en el dominio del tiempo (t). Cuando aplicamos

Laplace pasamos la ecuación del dominio del tiempo al de una variable llamada s, en este dominio la

ecuación es más fácil de resolver.

¿Que vamos a conseguir?

Conocida la función de transferencia de un sistema puede conocerse la salida o respuesta del mismo ante

cualquier entrada que se produzca.

La estabilidad del sistema: podemos saber si ante una entrada determinada el sistema puede

“descontrolarse” y comportarse de una forma inestable.

Que podemos añadir al sistema para que, en caso de ser inestable, deje de serlo.

En primer lugar hay que deducir una ecuación matemática que representa al sistema físico utilizando las

leyes que lo rigen, en nuestro caso la ley de newton, la ley de ohmn,…y calculamos la expresión

matemática de la entrada y la salida que logramos en el sistema en el dominio del tiempo.

El sistema físico será representado como un bloque con entradas y salidas.

Ahora aplicamos Laplace y calculamos las expresiones matemáticas de la entrada y la salida en el dominio

de la variable s:

La relación entre la entrada y la salida es la llamada FUNICIÓN DE TRANSFERENCIA DEL SISTEMA.

La función de transferencia G(s) es el cociente de las transformadas de Laplace de la salida y de la entrada

del sistema.

Una vez calculada la transformada de Laplace de cualquier entrada al sistema, podemos determinar la

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2. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL

2.1. CONTROL

Es el cerebro del sistema en lazo cerrado. Su función será actuar sobre la planta o proceso para modificarlo

utilizando los actuadores cuando hay una señal de error.

 Controles ON/OFF, cuya salida será 1 ó 0 en función de la detección de un error. Estos controles pueden activar, por ejemplo, una electroválvula o la resistencia de una estufa cuando se ha detectado que la

temperatura ha bajado por debajo de la marcada. Estos controles pueden ser complejos si se utilizan PLCs

o ordenadores, que pueden activar o desactivar (control ON/OFF) diferentes actuadores según los datos

obtenidos por los captadores o, simplemente según una secuencia determinada.

 También podemos encontrar Controles Analógicos, llamados REGULADORES, cuya salida es variable en función del valor de la señal de error (VE).

Si la variable que se está controlando en el proceso, no ha cambiado respecto a la señal de entrada, el error

será nulo y el regulador permanecerá inactivo. En cambio, si la variable que controlamos se aleja del valor

previsto, la señal de error será distinta de 0 y, el regulador actuará en consecuencia para corregir la

variación.

REGULADORES

Acción proporcional

El regulador proporciona a su salida una señal de tipo “escalón” proporcional al valor de la señal de

error (VE ). El valor del escalón será Vs= K • VE . Por sí

solos, estos reguladores no tienen mucha aplicación

porque son rápidos pero carecen de presión.

Acción integral

Este regulador proporciona a su salida una señal tipo “rampa” cuya pendiente varía en función del valor del

error (VE ) y su duración en el tiempo. Son

reguladores muy lentos pero precisos ya que la

salida irá creciendo lentamente hasta que la señal

de error desaparezca (VE = 0). Momento en el que

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Acción Proporcional- Integral

Es un regulador muy utilizado por su sencillez y estabilidad ante los cambios. Es una combinación del

proporcional y el integral. El proporcional

aporta rapidez y el integral la precisión de

la salida para anular la señal de error.

Cuando desaparece la señal de error

también se anula el efecto proporcional

permaneciendo el valor que ha alcanzado

el integral.

Acción Proporcional- Integral-Derivador

Es el regulador que proporciona una respuesta más efectiva a la señal de error. Combina la rapidez del

proporcional y derivador (que

introduce un pico de respuesta a la

entrada) con la precisión del

integrador. El problema que

presenta es que es necesario

ajustar perfectamente sus

constantes al sistema que está

regulando, de lo contrario puede

provocar la inestabilidad del

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2.2. CAPTADORES Y TRANSDUCTORES

Los CAPTADORES tienen la misión de recoger información del sistema, de medir parámetros

como presión, temperatura, posición,…Los TRANSDUCTORES transforman una magnitud de

entrada en otra salida que pueda ser procesada y utilizada por el sistema de control.

Las señales de medida que se utilizan en los sistemas de control son estándar: 0 a 10 v, 4 a 20

mA, 3 a 15 Psi (control neumático), 0 ó 5 v en digital,…

TRANSDUCTORES DE POSICIÓN, PROXIMIDAD Y DESPLAZAMIENTO

Resistivos

Los potenciómetros son resistencias variables que tienen un contacto móvil que se desplaza sobre una

resistencia fija. El desplazamiento del contacto hace que varíe su valor en función de dicho desplazamiento.

De esta forma podemos obtener un valor de tensión en función de la posición que queramos medir. Pueden

medir ángulos o desplazamientos lineales con cierta precisión.

Las galgas extensiométricos se basan en el efecto piezoresistivo que consiste en la variación de la

resistencia de un semiconductor cuando se modifica su forma. Proporcionan medidas de alta precisión.

Cuando se deforma el objeto o cuerpo al que están pegadas modifican su resistencia.

Inductivos

Si colocamos dos trozos de material magnético separados por una pequeña distancia e, y sobre uno,

realizamos un arrollamiento de hilo conductor, si hacemos circular una intensidad por dicho hilo, se

producirá una inducción magnética L que variará en función de la distancia que separa a ambos materiales.

La medida de dicha inducción L, nos da una medida exacta de la distancia de separación L, que es

fácilmente medible con un circuito electrónico.

Capacitivos

Un condensador está formado por dos conductores (placas) separadas por un material aislante que puede

ser líquido, sólido o gaseoso. Entre las placas se almacena carga eléctrica. La capacidad del condensador

es fácilmente medible y varía en función del área de las placas conductoras y de la distancia que las separa:

d

A

C

Podemos medir distancia variando la separación entre las placas, ángulos con la variación de

la superficie de las placas,…Medida de nivel de líquidos: si el líquido es un aislante (no inflamable),

podemos situar a ambos lados del depósito dos conductores que serán las placas y el propio líquido será el

aislante del condensador.

Final De Carrera

Un final de carrera es un simple interruptor que es accionado por el movimiento de una máquina. Si

queremos saber si la máquina ha llegado al lugar establecido o ya ha pasado por un sitio determinado,

vasta con colocar ahí un final de carrera, que dará dicha información al control. La forma del final de carrera

dependerá de lo que queramos detectar, los hay de varilla, rodillo,…

Por Ultrasonidos

Los ultrasonidos son vibraciones de alta frecuencia que no son perceptibles por el oído humano. Se coloca

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regresar. El tiempo nos da una medida exacta de la distancia. En este fenómeno se basan los sonar de los

barcos. Puede utilizarse para medir niveles de líquidos o grano, por ejemplo. Si el líquido crea espuma o

mucho polvo puede dar error de medida. Suelen dar salidas estándar de 4 a 20 mA proporcionales a la

distancia que miden.

Radar

El radar es similar al funcionamiento de los ultrasonidos. Se emiten ondas electromagnéticas que rebotan el

los objetos y se mide el tiempo que tardan en regresar. El tiempo será proporcional a la distancia que

pretendemos medir. La principal ventaja es su rapidez y las grandes distancias que pueden medir. Por

ejemplo en el control aéreo o en el control de velocidad en las carreteras.

TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD

Tacómetros

La medida de la velocidad de giro de un motor o de cualquier objeto puede ser fundamental. En las líneas

de fabricación en serie es muy importante que todos los procesos que se realizan y todas las piezas que se

produzcan se muevan a la misma velocidad para evitar “embotellamientos” ni paros. Realizan una medición

en revoluciones por minuto o la velocidad instantánea.

Encoders

Son transductores digitales de gran precisión que pueden medir distancias o ángulos. Transforman su giro

en una señal digital que es procesada e indica con gran precisión la situación de un móvil o el ángulo que

ha girado.

El eje del encoders se mueve solidariamente con el objeto

que queremos medir. Con el eje gira un disco ranurado. Un

láser atraviesa esas ranuras y da en un sensor de luz que

lanza un pulso a un contador. El contador almacena el

número de pulsos que convierte en una lectura de movimiento

lineal.

TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

Una de las mediciones mas habituales e importantes en los procesos productivos es la medida de la

temperatura, bien sea porque así lo necesite el proceso o por medidas de seguridad en la protección de los

componentes de las máquinas.

Termoresistencias

El valor ohmico de una resistencia varía con la temperatura. Son las llamada sondas PT100. Son muy

utilizadas por su sencillez y robustez. Son muy sensibles. Las de platino son caras pero pueden utilizarse

para medir una amplia gama de temperaturas. Las de Ni o Cu son más baratas.

Termistores

Son uniones semiconductoras PN que se comportan como resistencias variables con la temperatura. Las

NTC (disminuye resistencia con la Tª) varían notablemente su valor con la variación de la Tª que miden.

PTC aumentan su resistencia con la temperatura.

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Termopares

Cuando se sueldan dos metales distintos y se calienta esta soldadura, se

establece en él una corriente eléctrica producida por la diferencia de

temperatura entre las uniones. Si colocamos un voltímetro, este marcará

una tensión proporcional a la Tª a la que hemos sometido la soldadura.

Bimetales

Cuando unimos dos metales, como cada cual tiene un coeficiente de dilatación distinto. Cuando son

sometidos a una temperatura, tienden a torcerse. Cuando se enfrían, vuelven a recuperar su forma original.

Este fenómeno se utiliza para fabricar termostatos simples, utilizados por ejemplo en los braseros. Con un

pequeño tornillo podemos ajustar el proceso separando más o menos la posición del contacto. Cuando la

temperatura es baja, el contacto se cierra, pasa corriente por la resistencia y aumenta la temperatura.

Cuando alcanzamos la temperatura ajustada con el tornillo,

el bimetal está suficientemente torcido como para abrir el

contacto y deja de pasar corriente por la resistencia del

brasero o calentador.

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

Transductores Mecánicos

Habitualmente constan de elementos elásticos que, al ser sometidos a la presión que deseamos medir, se

deforman proporcionalmente a la presión a la que son sometidos.

Un ejemplo sería el tubo de Bourdon. Cuando

aumenta la presión el tubo flexible se deforma y

tiende a enderezarse, moviendo una aguja que se

desplaza sobre una regla que marca la presión.

Transductores Electromecánicos

Utilizan uno de los sistemas anteriores combinado con un transductor eléctrico que será el responsable de

proporcionar una señal eléctrica proporcional a la presión que estamos midiendo. Los mas sencillos utilizan

el movimiento de un tubo de Bourdon para desplazar un potenciómetro, aunque los hay mas precisos de

carácter capacitivo.

MEDIDA DE LA ILUMINACIÓN

Fotorresistencias LDR

Las fotorresistencias son semiconductores sensibles a la luz, que disminuyen su valor ohmico al

aumentar la luz que incide sobre ellas.

Fotodiodos

Los diodos, prácticamente no dejan pasar la corriente eléctrica en sentido inverso de cátodo a

ánodo, pero está pequeña conducción puede aumentar al aumentar la luz que incide sobre la

unión PN. Este fenómeno puede ser utilizado para medir la intensidad lumínica ambiental

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Fototransistor

El funcionamiento de los fototransitores es muy similar al de un transistor normal pero la

corriente de base, necesaria para que se comporte como un interruptor cerrado es sustituida

por la luz.

DETECTORES DE PROXIMIDAD Detectores ópticos

Las LDR, fotodiodos y fotorresistencias se utilizan frecuentemente para detectar objetos o como células

fotoeléctricas en sistemas antirrobo, puertas automáticas,…actuando sobre un relé que activa el

correspondiente actuador.

Detectores inductivos

Constan de una bobina de conductor que crea un campo magnético. Al acercarse un objeto metálico la

bobina, esta cambia su inducción L. Este cambio es utilizado como señal de proximidad de un objeto

metálico que pretendemos detectar.

Detectores de proximidad capacitivos

Se basan en la variación de la capacidad de un condensador y pueden detectar cualquier tipo de objeto,

metálico o no.

Finales de carrera

2.3. ACTUADORES

Pueden ser:

Eléctricos: motores, relés, resistencias,…

Neumáticos: cilindros, actuadores de giro, ventosas, motores,…

Referencias

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