Componentes de un Sistema de Control
Un sistema de control se compone de los siguientes elementos:
- Regulador: El elemento principal del bucle de control, que determina la acción del actuador basándose en el error.
- Transductor o captador: Dispositivo que transforma una señal de entrada en una de salida más fácilmente procesable.
- Comparador o detector de error: Calcula la diferencia entre la señal de salida deseada (referencia) y la señal de salida real del sistema.
- Actuador: Elemento que actúa sobre el proceso según la señal de mando que recibe del regulador.
Reguladores
El regulador es fundamental en un sistema de control, ya que determina la acción del actuador en función del error. Las acciones de control pueden ser: Proporcional (P), Integral (I) y Derivativa (D).
Inicialmente, la tecnología de los reguladores era neumática, hidráulica o electromagnética. Posteriormente, se impusieron los reguladores electrónicos analógicos basados en amplificadores operacionales, dando paso a las técnicas digitales y el uso de ordenadores como elementos de control.
Controlador de Acción Proporcional (P)
El controlador proporcional amplifica la señal de error antes de aplicarla al proceso. Su función de transferencia es: G(s) = Kp, donde Kp es la ganancia del regulador.
- Si el error es cero, la salida es cero.
- Si el error es pequeño, el cambio en la salida es pequeño.
- Si el error es grande, el cambio en la salida es grande.
Características:
- Respuesta teóricamente instantánea, pero en la práctica sigue una trayectoria exponencial.
- Presenta un error remanente en equilibrio.
Controlador de Acción Integral (I)
La acción de control es proporcional a la integral del error. A diferencia del controlador P, el controlador I considera la desviación de la señal y su duración. Su función de transferencia es: G(s) = Ki / s.
Características:
- Respuesta inicial lenta.
- Elimina el error remanente.
En la práctica, se combina con la acción proporcional (regulador PI): G(s) = Kp(1 + 1 / (ti * s)).
Controlador de Acción Derivativa (D)
La salida varía proporcionalmente a la variación del error. Anticipándose a sobreoscilaciones, proporciona una acción correctiva. Aumenta la velocidad de respuesta, pero a costa de la precisión. Se combina con el controlador P (regulador PD): G(s) = Kp(1 + td * s).
Controlador PID
Combina las tres acciones (P, I y D). Si el error varía lentamente, predominan las acciones proporcional e integral; si varía rápidamente, predomina la acción derivativa.
Transductores
Transductor: Convierte una señal de entrada en otra de salida más procesable.
Captador: Recoge la señal de salida del sistema para realimentarlo.
Sensor: Elemento en contacto directo con la magnitud a medir. Sus parámetros fundamentales son: rango, resolución y sensibilidad.
Los transductores se clasifican según la magnitud que miden: posición, proximidad, desplazamiento, velocidad y temperatura.
Transductores de Posición y Proximidad
Determinan si un objeto está en una posición específica o dentro de un margen.
Sensores Resistivos: El Potenciómetro
Basados en la variación de la resistencia. El potenciómetro, una resistencia variable, permite medir desplazamientos al variar la tensión de salida según la posición del cursor.
Final de Carrera
Detectan mediante contacto físico, actuando como interruptores. Ejemplos: mecanismo de un montacargas, paro de una cinta transportadora.
Sensores de Proximidad Inductivos
Detectan objetos metálicos sin contacto físico, basándose en la variación del flujo magnético de una bobina.
Sensores de Proximidad Capacitivos
Detectan objetos sin contacto físico, basándose en la variación del campo eléctrico entre dos placas. Pueden ser de tipo I (metales) o tipo II (no metales).
Sensores Ópticos
También llamados células fotoeléctricas. Constan de un emisor y un receptor de luz infrarroja. Existen tres montajes: barrera, reflexión y réflex. Se usan en alarmas, sistemas de detección de personas, etc.
Transductores de Desplazamiento
Detectan la posición de un objeto y determinan distancias o ángulos.
Pequeñas Distancias
- Potenciómetros
- Inductivos
- Capacitivos
Grandes Distancias
Basados en ondas electromagnéticas (sónar, láser, microondas). La distancia se calcula mediante: d = c * Δt / 2.
Medidas de Ángulos
- Resistivos, capacitivos e inductivos.
- Discos codificados: incrementales, absolutos, incrementales con detección de sentido de giro.
Transductores de Velocidad
La medición de velocidad angular se realiza con tacómetros (tacogeneradores, sensores ópticos, sensores inductivos).
Transductores de Temperatura
Termorresistencias
Basadas en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura: RT = R0(1 + αT). Se utiliza el puente de Wheatstone para la medición.
Termistores
Resistencias variables con la temperatura, hechas de semiconductores. Existen NTC (resistencia disminuye con la temperatura) y PTC (resistencia aumenta con la temperatura).
Termopares
Basados en la unión de dos metales distintos. Al calentar la unión, se genera una diferencia de potencial. Ejemplos: cobre/constantán, hierro/constantán, cromel/constantán, cromel/alumel.
Pirómetro de Radiación
Basados en la Ley de Stefan-Boltzmann. Miden la temperatura a distancia según la radiación emitida. Se usan para altas temperaturas.
Sensores de Luz
Fotorresistencias (LDR)
Su resistencia varía con la luz incidente.
Fotodiodos
Generan corriente eléctrica al incidir la luz.
Fototransistores
Su funcionamiento se regula mediante la luz incidente.