Introducción al Control Automático en la Ingeniería Electrónica

I. Introducción Histórica

Objetivo

Establecer la necesidad de control en los diversos equipos y sistemas.

Concepto de Control Automático y Señales de Instrumentación

Introducción

Los conceptos y terminología aquí descritos están destinados a proporcionar una explicación general de los fundamentos del control automático y sus aplicaciones en los procesos de producción de la industria.

Control

El concepto de control es muy amplio, ya que abarca desde un simple interruptor que gobierna el encendido de una lámpara eléctrica o la válvula que regula el paso del agua por una cañería, hasta el complejo sistema de computadoras que controlan el funcionamiento de una refinería o el piloto automático de un avión.

Control

Podríamos definir al control como el manejo indirecto de las magnitudes de un sistema de producción o proceso, por otro sistema llamado sistema de control.

Objetivo del Control Automático

El objetivo de un sistema de control es gobernar la respuesta del sistema controlado sin que deba intervenir directamente un operario sobre los elementos de salida. El operario manipula solamente las magnitudes de salida deseadas de ese sistema, llamadas las consignas, y el sistema de control se encarga de gobernarlas por medio de los accionamientos o actuadores correspondientes.

Control Automático

El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión en equipo de control. Además, hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminación de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado.

Control Automático

El principio del control automático, o sea el empleo de una realimentación o medición para accionar un mecanismo de control, es muy simple. El mismo principio del control automático se usa en diversos campos, como control de procesos químicos y del petróleo, control de hornos en la fabricación del acero, control de máquinas herramientas, y en el control y trayectoria de un proyectil.

¿Qué es el Control Automático?

El control automático es el mantenimiento de un valor deseado dentro de una cantidad o condición, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana.

Lazo de Control

El elemento más importante de cualquier sistema de control automático es el lazo de control realimentado básico. El concepto de la realimentación no es nuevo, el primer lazo de realimentación fue usado en 1774 por James Watt para el control de la velocidad de una máquina de vapor.

Función del Control Automático

La idea básica del lazo realimentado de control es más fácilmente entendida imaginando qué es lo que un operador tendría que hacer si el control automático no existiera.

Función del Control Automático

Para controlar la temperatura manualmente, el operador observaría la temperatura indicada, y al compararla con el valor de temperatura deseado, abriría o cerraría la válvula para admitir más o menos vapor. Cuando la temperatura ha alcanzado el valor deseado, el operador simplemente mantendría esa regulación en la válvula para mantener la temperatura constante.

Función del Control Automático

Bajo el control automático, el controlador de temperatura lleva a cabo la misma función. La señal de medición hacia el controlador desde el transmisor de temperatura (o sea el sensor que mide la temperatura) es continuamente comparada con el valor de consigna (set-point en inglés) ingresado al controlador. Basándose en una comparación de señales, el controlador automático puede decir si la señal de medición está por arriba o por debajo del valor de consigna y mueve la válvula de acuerdo a esta diferencia hasta que la medición (temperatura) alcance su valor final.

Clasificación de los Sistemas de Control

Los sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abierto y a lazo cerrado. La distinción la determina la acción de control, que es la que activa al sistema para producir la salida.

Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida.

Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la acción de control es en cierto modo dependiente de la salida.

Lazo Abierto

Los sistemas de control a lazo abierto tienen dos rasgos sobresalientes:

  1. La habilidad que estos tienen para ejecutar una acción con exactitud está determinada por su calibración. Calibrar significa establecer o restablecer una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.
  2. Estos sistemas no tienen el problema de la inestabilidad, que presentan los de lazo cerrado.

Lazo Abierto

Ejemplo 1

Un tostador automático es un sistema de control de lazo abierto, que está controlado por un regulador de tiempo. El tiempo requerido para hacer tostadas debe ser anticipado por el usuario, quien no forma parte del sistema. El control sobre la calidad de la tostada (salida) es interrumpido una vez que se ha determinado el tiempo, el que constituye tanto la entrada como la acción de control.

Lazo Cerrado

Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por realimentación (o retroacción).

Lazo Cerrado

Ejemplo 2

Un mecanismo de piloto automático y el avión que controla, forman un sistema de control de lazo cerrado (por realimentación). Su objetivo es mantener una dirección específica del avión, a pesar de los cambios atmosféricos. El sistema ejecutará su tarea midiendo continuamente la dirección instantánea del avión y ajustando automáticamente las superficies de dirección del mismo (timón, aletas, etc.) de modo que la dirección instantánea coincida con la especificada. El piloto u operador, quien fija con anterioridad el piloto automático, no forma parte del sistema de control.

Realimentación

Es la propiedad de un sistema de lazo cerrado que permite que la salida (o cualquier otra variable controlada del sistema) sea comparada con la entrada al sistema (o con una entrada a cualquier componente interno del mismo con un subsistema) de manera tal que se pueda establecer una acción de control apropiada como función de la diferencia entre la entrada y la salida.

El Actuador Final

Por cada proceso debe haber un actuador final, que regule el suministro de energía o material al proceso y cambie la señal de medición. Más a menudo este es algún tipo de válvula, pero puede ser además una correa o regulador de velocidad de motor, posicionador, etc.

El Proceso

Los tipos de procesos encontrados en las plantas industriales son tan variados como los materiales que producen. Estos se extienden desde lo simple y común, tales como los lazos que controlan caudal, hasta los grandes y complejos como los que controlan columnas de destilación en la industria petroquímica.

El Controlador Automático

El penúltimo elemento del lazo es el controlador automático, su trabajo es controlar la medición. “Controlar” significa mantener la medición dentro de límites aceptables.

Tipos de Respuestas

La figura muestra una válvula directa conectada a un control de nivel en un tanque a media escala. A medida que el nivel del tanque se eleva, el flotador es accionado para reducir el caudal entrante, así, cuanto más alto sea el nivel del líquido mayor será el cierre del ingreso de caudal.

Tipos de Respuestas

A medida que el nivel va desde el 0% al 100%, la válvula se desplaza desde la apertura total hasta totalmente cerrada. La función del controlador automático es producir este tipo de respuesta opuesta sobre rangos variables, como agregado, otras respuestas están disponibles para una mayor eficiencia del control del proceso.

Tipos de Respuestas: El Control Sí/No

El control Sí/No es mostrado en la figura.

Tipos de Respuestas: Acción Proporcional

La respuesta proporcional es la base de los tres modos de control. “Proporcional” significa que el cambio presente en la salida del controlador es algún múltiplo del porcentaje de cambio en la medición.

Tipos de Respuestas: Acción Integral (Reset)

Cuando cualquier error exista entre la medición y el valor de consigna, la acción de reset hace que la salida comience a cambiar y continúe cambiando en tanto el error exista. Esta función, entonces, actúa sobre la salida para que cambie hasta un valor correcto necesario para mantener la medición en el valor de consigna.

Tipos de Respuestas: Acción Derivativa

La tercer respuesta encontrada en controladores es la acción derivativa. Así como la respuesta proporcional responde al tamaño del error y el reset responde al tamaño y duración del error, el modo derivativo responde a cuán rápido cambia el error.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Debido a la necesidad de mantener una información del estado real de las variables de proceso se hace necesario contar con algún tipo de comunicación entre los diversos componentes que forman un lazo de control. Desde la creación de los componentes de control se han utilizado un grupo variado de agentes para transmitir esta información siendo la tendencia a crear y utilizar técnicas que permitan obtener una mayor cantidad de información del sistema o proceso que se requiere controlar.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Señal

Una señal es un símbolo, un gesto u otro tipo de signo que informa o avisa de algo. La señal sustituye por lo tanto a la palabra escrita o al lenguaje. Ellas obedecen a convenciones, por lo que son fácilmente interpretadas.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Tipos de Señales

  • Señales 100% analógicas.
  • Señales 100% digitales.
  • Señales analógicas con componente digital.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Señal Discreta (Digital)

Esta señal solo responde ante cambios de estado, pudiendo tomar solo dos estados posibles. Funciona principalmente como un interruptor. Los estados pueden ser: 1 – 0, on – off, abierto – cerrado, sí – no, encendido – apagado, etc.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Señal Digital

Se dice que una señal es digital cuando las magnitudes de la misma se representan mediante valores discretos en lugar de variables continuas. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada.

Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Señal Analógica

Una señal analógica es aquella función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo (representando un dato de información) en función del tiempo. Algunas magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia, pero también pueden ser hidráulicas como la presión, térmicas como la temperatura, mecánicas, etc.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Señales Analógicas Clásicas

Las señales analógicas clásicas que es posible encontrar en los sistemas de automatización moderna son:

Señal Eléctrica en Tensión y Corriente

Corresponde a un tipo de señal que representa las variaciones de la variable de proceso a través de una variación en tensión entre dos valores límites. Las señales normalizadas más utilizadas en tensión y corriente son:

Tensión

  • 0 – 10 Vcc
  • 0 – 5 Vcc
  • -10 – +10 Vcc

Corriente

  • 0 – 20 mA
  • 4 – 20 mA

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Señal Neumática

Corresponde a la utilización de un sistema normalmente gaseoso, con valores normalizados entre 3 – 15 Psi, 0 – 15 Psi. Cabe destacar que este tipo de señal está quedando o siendo principalmente acotada a los elementos finales de control.

Clasificación de las Señales de Instrumentación

Señales Híbridas

Una señal híbrida es aquella que posee dos componentes de información para permitir la comunicación entre los dispositivos de un lazo de control. Las dos componentes pueden corresponder a una señal en formato analógico clásico (4 – 20 mA), más una componente digital transmitida a través de un único medio.

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