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Controladores - Coggle Diagram
Controladores
Comunicación del controlador con otros instrumentos
La exactitud de la señales digitales es unas 10 veces mayor que la señal clásica de 4-20 mA c.c.
En áreas de difícil acceso tienen cabida los transmisores sin hilos típicamente de presión, señales acústicas y temperatura
Transmiten sus medidas a un aparto base de radio conectado a un sistema de control o adquisición de datos
Se basan en señales analógicas, neumáticas, electrónicas de 4-20 mA c.c. y digitales
Aplicaciones de sistemas de lazo abierto y de lazo cerrado
Lazo Abierto
Generalmente son manuales, pues requieren que una persona ejecute una acción que indique al sistema qué hacer. La estabilidad del sistema no es un problema importante en este tipo de sistemas y es más fácil de lograr. Son aplicables cuando se conoce con anticipación las entradas y no existen perturbaciones significativas.
Se usan componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado
En la figura se muestra un sistema de lazo abierto para mantener constante el nivel de agua en un tanque, es necesario que una persona accione la válvula cuando el caudal de salida cambie
Lazo Cerrado
Son automáticos y operan sin interrupción, ni participación externa.
El control de lazo cerrado o retroalimentado se refiere a una operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y la entrada de referencia de manera continua y automática, tratando de mantener la diferencia por debajo de un margen de error previamente determinado.
Para ello es necesario implementar en el controlador un algoritmo que determine las decisiones a tomar. El algoritmo más comúnmente utilizado utilizado para el control es conocido como PID, por sus siglas en inglés que dicta los tres tipos de control que ofrece,
Proporcional
,
Integral
y
Derivativo
.
En la figura se muestra un sistema de lazo cerrado, en donde la válvula se abre o cierra automáticamente, de acuerdo con las variaciones de nivel para mantenerla constante
Modos de Control aplicados en
instrumentación:
Los actuadores o elementos finales de control, pueden hacerse correcciones en varias formas:
Estas correcciones, son hechas por el controlador, en los sistemas industriales se emplean básicamente uno o una combinación de los siguientes sistemas de control
Proporciona - Integral
El control integral actúa cuando existe una división entre la variable y el punto de consigna, integrando dicha desviación en el tiempo y sumándola a la acción de la proporcionalidad
Se caracteriza por el llamado tiempo de acción integral en minutos por repetición (o su inversa repeticiones por minuto) que es el tiempo en que, ante una señal en escalón, la válvula repite el mismo movimiento correspondiente a la acción proporcional. Como esta acción de control se emplea para obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable con respecto al punto de consigna) de la acción proporcional, sólo se utiliza cuando es preciso mantener un valor de la variable que iguale siempre al punto de consigna.
Proporcional - Integral - Derivativo
La unión en un controlador de las tres acciones proporcional, integral y derivativa (PID) forma un instrumento controlador que presenta las siguientes características, comentadas tomando como ejemplo el controlador que se presenta las siguientes características, comentadas tomando como un cambio de carga por aumento de la demanda de agua caliente.
La acción integral mueve la válvula a una velocidad proporcional a la desviación con respecto al punto de consigna. La señal I (integral) va sumando las áreas de diferencia entre la variable y el punto de consigna, repitiendo la señal proporcional según su i (minutos/ repetición). Una disminución del tiempo de acción integral proporciona una mayor acción integral y un control más rápido
La acción derivada corrige la posición de la válvula proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada. La señal D (derivada) es la pendiente (tangente) de la curva descrita por la variable, con lo que anticipa la posición de la válvula en el tiempo debida a la acción proporcional según el valor de d (minutos de anticipo). Un aumento del tiempo de acción derivada incrementa la acción derivada y proporciona un control más rápido.
La acción proporcional cambia la posición de la válvula proporcionalmente a la desviación de la variable con respecto al punto de consigna, La señal P (proporcional) mueve la válvula siguiendo fielmente los cambios de temperatura multiplicados por la ganancia. Un aumento de la ganancia conduce a una mayor acción proporcional y un control más rápido.
Proporcional
El control proporcional se basa en la ganancia aplicada al sistema, se basa en el principio de que la respuesta del controlador debe ser proporcional a la magnitud del error. No corrige ni elimina perturbaciones, puede atenuar y aumentar la señal del error
Proporcional - Derivativo
En la regulación derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad de variación de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir, el control derivativo actúa cuando existen cambios en la variable. Esta actuación es proporcional a la pendiente de la variable, es decir, a su derivada.
La acción derivada se caracteriza por el llamado tiempo de acción derivada en minutos de anticipo que es el intervalo durante el cual, la variación de la señal de salida del controlador, debida a la acción proporcional, iguala a la parte de variación de la señal debida a la acción derivativa cuando se aplica una señal en rampa al instrumento.
(ON - OFF) Dos posiciones, encendido - apagado
En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendido y apagado. El control de dos posiciones es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos.
Es común que los controladores de dos posiciones sean dispositivos eléctricos, en cuyo caso se usa extensamente una válvula eléctrica opera 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 se muestra un sistema de control del líquido que es controlado por una acción de control de dos posiciones.
En caso de ser una válvula, puede abrir o cerrar instantáneamente.
Puede abrir la válvula en mayor grado cuando la desviación es más rápida.
Puede abrir o cerrar la válvula lentamente, a una velocidad constante, mientras se mantenga la desviación.
Puede abrir la válvula un número de vueltas constante, por cada unidad de desviación.
Criterios para la sección de un controlador
Cuando se implementa un lazo de control se plantea el tipo de controlador que se debe elegir, la selección de los parámetros del controlador, los criterios de performance con el que se hace la selección y el ajuste de parámetros del controlador
Por ejemplo, se puede seleccionar alguno de los siguientes criterios:
Que se obtengan respuestas rápidas y suaves frente a cambios en el set point.
Que se elimine el offset.
Que los efectos de las perturbaciones se minimicen.
Que el sistema sea robusto, esto es, poco sensible a cambios en las condiciones de proceso o debido a errores.
Que ele bucle cerrado sea estable.
Sintonización de Controladores
La sintonización de los controladores se realiza sin que se disponga de dicha información y resulta sumamente útil en los casos en que la obtención del modelo del proceso es muy engorrosa. Los métodos de diseño utilizan restricciones particulares impuestas a la respuesta deseada que permiten determinar con precisión los parámetros del controlador, en tanto que en el caso de la sintonización de un controlador, dichos parámetros se van ajustando de forma tal que se obtenga una respuesta temporal aceptable.
Los métodos de sintonización están basados en estudios experimentales de la respuesta al escalón de diferentes tipos de sistemas, razón por la cual los parámetros del controlador que se determinan utilizando estas metodologías podrían dar como resultado una respuesta medianamente indeseable. Es por ello que dichos parámetros se utilizan como punto de partida para la definitiva sintonización de los mismos, lo cual se realizará ajustándolos finamente de forma tal que se logre obtener la respuesta deseada.
Dos reglas de sintonización de controladores desarrolladas por Ziegler y Nichols, las cuales simplifican altamente el problema de fijar los parámetros de un controlador. Dichas reglas podrían no ser la mejor alternativa pero su sencillez y disponibilidad las mantienen como una fuerte opción actualmente, las cuales son las siguientes:
Curva de reacción
En este método la respuesta de la planta al aplicar un escalón unitario debe tener el aspecto de una curva en forma de S, en el caso en que la curva no presente esta dicha forma, no es posible aplicar el método. Si la planta incluye integradores o polos dominantes complejos conjugados, la respuesta al escalón unitario no será como la requerida y no podrá utilizarse el método.
La respuesta al escalón se obtiene experimentalmente y a partir de allí el modelo del proceso puede ser aproximado a una función de transferencia en la cual los parámetros corresponden con la ganancia, la constante de tiempo y el retardo del proceso y deben ser identificados a partir de dicha respuesta.
Oscilación continua
Este método solamente puede aplicarse cuando un proceso a lazo cerrado, presenta una respuesta que oscile continuamente, para un valor específico de su ganancia a lazo abierto, es decir, el sistema a lazo cerrado tiene una ganancia crítica, la cual corresponde con el límite de estabilidad del sistema a lazo cerrado.
