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,
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
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
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
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 dela 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
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.
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
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,…