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Controladores - Coggle Diagram
Controladores
Sintonización de controladores
El diseño de controladores, se realiza en la unción del conocimiento del proceso, es decir, a partir del modelo del proceso, del esquema de control y de las restricciones que se le imponen al mismo.
Los métodos de sintonización están basados en estudios experimentales de la respuesta al escalón de diferentes tipos de sistemas, razón por la cual los parametros del controlador que se determinan utilizando estas metodologías podrían dar como resultado una respuesta medianamente inaceptable.
Los métodos cuantitativos de sintonización PID intentan mapear la características del proceso y con ello se obtienen algunos buenos parámetros PID para el controlador.
Se pueden clasificar en:
Auto-regulatorios(self-regulating).
“Self-regulating” responde ante un escalón unitario o variación de apertura de una válvula de control fijando un nuevo valor de su PV, un valor estable.
Integrativos (integrating).
Un proceso “integrativo” responde variando su valor de PV constantemente (ramping) hacia arriba o hacia abajo a una tasa proporcional (pendiente) a la magnitud de cambio o escalón producido con el elemento final de control (válvula de control).
Los inestables (runaway).
Un proceso “runaway” responde variando su PV hacia arriba o hacia abajo a un tasa que se va incrementando con el tiempo, llevándolo a un completa inestabilidad sin forma alguna de corregirlo con la acción del controlador.
Sintonizar un sistema de control realimentado significa regular parámetros en el controlador para lograr implementar un control robusto en el proceso. “Robusto” en este contexto es usualmente definido como la estabilidad de las variables de procesos a pesar de los cambios de carga, una rápida respuesta ente los cambios de setpoint, oscilaciones mínimas y un offset mínimo (error entre el setpoint y la variable de proceso) en el tiempo.
“Control Robusto” es mucho más fácil de definir que te lograrlo. El control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) es el algoritmo de control realimentado más usado en la industria, es importante que el ingeniero y/o técnico instrumentista entienda como se sintonizan estos controladores de manera efectiva y con una mínima inversión de tiempo.
Aplicaciones de Sistemas de Lazo Abierto y Lazo Cerrado
Primero, ¿Qué es un sistema de control?
Un sistema de control es un grupo de componentes electrónicos, mecánicos, neumáticos, hidráulicos, etc. Que se utilizan en conjunto para lograr un objetivo deseado.
Para que se pueda considerar como un sistema de control por lo menos debe de contar con tres elementos esenciales que son:
Una variable a controlar.
Un actuador.
Un punto de referencia (set-point).
Por ejemplo, para llenar un tanque de 500 litros de agua necesitamos una bomba hidráulica, una toma de agua y los elementos electrónicos de encendido y apagado del sistema. En este caso el punto de referencia es que tan lleno se quiere tanque.
¿Qué es un sistema de lazo abierto?
Un sistema de control de lazo abierto se caracteriza por que no recibe ninguna información o retroalimentación sobre el estado de la variable, por lo regular estos se utilizan cuando la variable es predecible y tiene un amplio margen de error, ya que se puede calcular el tiempo o las veces que se debe de repetir el ciclo para completar el proceso.
Ejemplo, un semáforo controla el tráfico sin recibir información de cuantos carros circulan la avenida
Partes de un sistema de Lazo Abierto
Elemento de control
Se encarga de procesar las señales de entrada y tomar una decisión para enviarla al elemento de corrección.
Elemento de correción
Este elemento es el que produce un cambio en el proceso, por lo regular este bloque se refiere al actuador, ya que tiene la capacidad de hacer cambios físicos en el proceso.
Proceso
También se le conoce conoce como planta y son todas las características del proceso, por ejemplo cuánto tiempo tarda en realizarse o cuantas veces se necesita hacer el mismo procedimiento, etc.
Elemento de control
Corrección
Proceso
Aplicaciones
Utilizáremos el ejemplo de llenar un tanque de 500lts de agua.
Para solucionar este sistema con un lazo abierto necesitamos saber cuantos litros de agua llenamos por segundo, en este caso llenamos 1 litro cada 5 segundos.
1 lt. Cadan 5 seg.
60/5 = 12 lt por minuto
Para llenar completamente el tanque necesitamos: 5000/12 = 416.66 minutos
Entonces con base a los cálculos necesitamos un circuito de control que mantenga activa una bomba hidráulica durante 416.66 minutos y se desactive pasado el tiempo, Pero como podemos observar este sistema no es tan completo ya que no podemos saber si en realidad se lleno, ya que si el sistema sufre una variación como un menor flujo no lo podrá detectar y no se llenara el tanque.
Tablero eléctrico
Bomba hidráulica
Llenado de tanque
¿Qué es un sistema de lazo cerrado
Este sistema es más completo ya que recibe información sobre los estados que va tomando la variable. Esta retroalimentación se logra colocando sensores que envían información de puntos clave del proceso para que así pueda actuar de manera autónoma.
Ejemplo un aire acondicionado tiene un sensor que retroalimenta información sobre la temperatura de la habitación para identificar si hace falta encender el sistema o mantenerlo en StandBy
Partes de un sistema de Lazo Cerrado
Elemento de Comparación
Este comparador recibe información de retroalimentación de los cambios que va sufriendo el proceso, y genera una señal de error de el estado actual de la variable con respecto al punto de referencia, para mandarla nuevamente al controlador para que tome una decisión nuevamente.
Con señal de error se refiere a que manda una señal, de si ya llego al punto de regencia o no ha llegado o también en sistemas más complejos podemos saber cuánto falta para llegar a la meta.
Elemento de medición
Estos elementos por lo regular son sensores que miden la información del sistema y la retroalimentan al comparador.
Comparador
Elemento de control
Corrección
Proceso
Fin
Retroalimentación
Aplicaciones
Utilizando el mismo ejemplo del Lazo Abierto, en este sistema no importa cuanto tiempo pase ya que se instalan unos sensores de nivel para tener una retroalimentación y así poder para el sistema cuando se llene o iniciarlo cuando se detecte que esta por debajo del nivel mínimo.
Comenzando con un actuador
Pasando con un comparador encargado de estudiar los sensores, e indicar donde comienza y donde debe terminar el llenado
Y la variable, que en este caso sería el agua
Modos de Control aplicados en instrumentación
On-Off
Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado (ON/OFF).
En sus sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendido y apagado.
Es común que los controladores de dos posiciones sean dispositivos eléctricos, en cuyo caso se usa extensamente una válvula eléctrica operada por solenoides. Los controladores neumáticos proporcionales con ganancias muy altas funcionan como controladores de dos posiciones y, en ocasiones, se denominan controladores neumáticos de dos posiciones.
Proporcional
Acción de control proporcional para un controlador con acción de control proporcional la relación entre la salida del controlador U(T) y la señal de error E(T) es: UT=KPET
La ecuación con que se describe su funcionamiento es la siguiente:
MT=M+KCRT-CT o MT=M+KCET
M(T) = Salida del controlador, PSIG O MA
R(T) = Punto de control, PSIG O MA
C(R) = Variable que se controla, PSIG O MA; Ésta es la señal que llega al transmisor.
E(R) = Señal de error, PSI O MA; Ésta es la diferencia entre el punto de control y la variable que se controla.
KC = Ganancia del controlador, PSI/PSI Ó MA/MA
M = Valor base, PSIG O MA. El significado de este valor es la salida del controlador cuando el error es 0; generalmente se tija cuando la calibración del controlador, en el medio de la escala, 9 PSIG O 12 MA.
Proporcional + integral.
La mayoría de los procesos no se pueden controlar con una desviación, es decir, se deben controlar en el punto de control, y en estos casos se debe añadir inteligencia al controlador proporcional, para eliminar la desviación.
La siguiente es su ecuación descriptiva:
MT=M+KCRT-CT+KCΤIRT-CTDT
MT=M+KCET+KCΤIETDT
ΤI = Tiempo de integración o reajuste minutos/repetición. Por lo tanto, El controlador PI tiene dos parametros, KC, Y ΤI, que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio.
En donde KP, es la ganancia proporcional y TI se denomina tiempo integral. Tanto KP como TI son ajustables. El tiempo integral ajusta la acción de control integral, mientras que un cambio en el valor de KP afecta las partes integral Y proporcional de la acción de control.
