Sistemas automáticos

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Sistemas automáticos

  1. 1. SISTEMAS AUTOMÁTICOS- SISTEMAS DE CONTROL - TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN Dpto. de Tecnología IES CAP DE LLEVANT - MAÓ Maó - 2010
  2. 2. Contenido  Concepto de automatismo. Estructura de un sistema automático. Entrada, proceso y salida. Descripción de sistemas automáticos sencillos.  Problemas que resuelven los sistemas automáticos y como éstos mejoran la calidad de vida.  Sistemas de bucle abierto y de bucle cerrado. Ejemplos.  Elementos que componen un sistema de control: comparadores, reguladores, transductores y actuadores.  Asociación entre el sistema automático y la representación en esquema de bloques.  Selección del tipo de sensor a utilizar para solucionar cada problema de detección.  Autonomía para solucionar los problemas que vayan saliendo con rigor en los planteamientos.  Búsqueda de las características de algunos sensores comerciales. Experimentación con alguno de estos sensores.  Transmitancia y realimentación. Esquemas de bloques. Resolución de ejercicios de simplificación de bloques de transmitancia.  Estabilidad y respuesta de un sistema de control. La señal de error. Análisis de la estabilidad de un sistema de control.  Representación gráfica de la entrada y la salida de un sistema de control estable e inestable, diferenciando e interpretando las diferentes curvas resultantes.  Control analógico de sistemas. Controladores proporcionales, integrales y derivativos. El controlador PID.  Montaje y experimentación de sencillos circuitos de control. 2CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  3. 3. Sistemas Automáticos de Control  SISTEMA DE CONTROL es conjunto de elementos ligados dinámicamente que actúan coordinadamente para conseguir gobernar un proceso mediante la manipulación directa o indirecta de las variables que intervienen en éste. SISTEMA DE Proporcionan una respuesta sobre el CONTROL comportamiento del propio sistema Intentan conseguir que una máquina o proceso AUTOMÁTICO realice sus funciones con la mínima intervención humana 3CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  4. 4. Tecnologías de Control  TECNOLOGÍAS DE CONTROL son todos los procedimientos y sistemas que permiten automatizar máquinas, aparatos y procesos de fabricación 4CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  5. 5. Sistemas de Control: Variables (I)  VARIABLE o SEÑAL de un sistema de control es cualquier magnitud física variable que pueda ser utilizada para transmitir información de forma continua. Normalmente son eléctricas. Internas Dependen del proceso VARIABLES de Entrada No dependen del proceso Según su Influyen en el comportamiento naturaleza dinámico del proceso Analógicas Magnitudes físicas Digitales Sistemas Binarios Híbridas Microprocesadores 5CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  6. 6. Sistemas de Control: Variables (II) de estado Indican la situación del proceso a partir de la que Internas se producirá la evolución de salida Indican la evolución del proceso. Permiten medir VARIABLES de control Se pueden modificar para actuar sobre el proceso de Entrada perturbaciones Son imprevistos y no se pueden modificar 6CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  7. 7. Sistemas de Control: Esquema básico VARIABLES INTERNAS COMPONENTE VARIABLES COMPONENTE INTERNAS VARIABLES VARIABLES INTERNAS INTERNAS VARIABLES COMPONENTE VARIABLES EXTERNAS EXTERNAS 7CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  8. 8. Sistemas de Control: Ejemplos ___EJERCICIO___  En un sistema formado por un circuito RC en el que el condensador adquiere una determinada carga Q cuando se aplica una tensión de entrada V, explica el proceso de carga y descarga del condensador e identifica las variables presentes.  De estado: la carga inicial del condensador  De salida: la intensidad, las tensiones y potencias en R y C  De control: la tensión aplicada  Perturbaciones: ruidos o cualquier variación imprevista de la V de alimentación debida a picos, la Tª,… 8CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  9. 9. Sistemas de Control: Ejemplos ___EJERCICIO___  En un sistema formado por un depósito de agua con un aporte de agua q1 sin control y otro aporte controlado q4 mediante electroválvula x4. La extracción de agua q2 se realiza mediante una bomba que funciona mientras hay agua en el depósito o manualmente q3 mediante la válvula x3.  De estado: el nivel inicial del depósito h y la extracción q2, que es independiente de éste.  De salida: la variación de altura del agua en el depósito en relación de la máxima prevista.  De control: la entrada q4 y la extracción q3.  Perturbaciones: se puede considerar la entrada q1 si su caudal no es controlable. 9CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  10. 10. Sistemas de Control: Tipos (I) SISTEMAS DE CONTROL LAZO ABIERTO LAZO CERRADO  Es el más sencillo  Es más complejo pero ejerce mayor  Una vez activado, ejecutan un control proceso durante un tiempo prefijado  Una vez activado el proceso, se independientemente del resultado analiza la salida de éste y si no obtenido. cumple una consigna programada el  El dispositivo controlador no dispositivo controlador modifica las supervisa el resultado de la salida del entradas y mantiene el proceso proceso. activo hasta que la salida cumpla la consigna. 10CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  11. 11. Sistemas de Control en Lazo Abierto  Las variables de control se ajustan según el comportamiento previsible del sistema.  No hay relación entre las entradas y la respuesta del sistema.  Una vez activado, ejecutan un proceso durante un tiempo prefijado independientemente del resultado obtenido.  El dispositivo controlador no supervisa el resultado de la salida del proceso. INCONVENIENTES  Una perturbación puede desestabilizar el sistema que evoluciona a respuesta indeseada  Necesidad de conocimiento riguroso del proceso  Controlador complicado y caro 11CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  12. 12. Sistemas de Control en Lazo Abierto: Ejemplo ___EJERCICIO___  En un sistema formado por un depósito de agua con un aporte de agua q1 sin control y otro aporte controlado q4 mediante electroválvula x4. La extracción de agua q2 se realiza mediante una bomba que funciona mientras hay agua en el depósito o manualmente q3 mediante la válvula x3. q1  Es necesario conocer perfectamente las variables de estado: el nivel inicial del depósito h y el caudal extraído DEPÓSITO por la extracción q2, y establecer la previsión sobre la entrada q1. q2  Las variables de control a ajustar son la entrada q4 y la q3 q4 extracción q3 con las válvulas correspondientes para no alcanzar el nivel máximo permisible ho. CONTROLADOR  Si ocurre alguna perturbación como por ejemplo una aportación de agua de la entrada q1 no constante, el ho sistema no reaccionará y pudiendo sobrepasar ho o incluso vaciarse. 12CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  13. 13. Sistemas de Control en Lazo Cerrado  Hay una relación entre las variables de entrada y la respuesta del sistema  Se define una variable de referencia (Respuesta deseada) que indica cual debe ser la respuesta teórica que debe conseguir el proceso.  La respuesta del sistema es la que realmente se produce (salida)  Un elemento comparador testea la diferencia entre la variable de referencia y la respuesta real del sistema y emite una señal hacia el elemento controlador (error) para que modifique las entradas cuando la diferencia salga del margen de tolerancia establecido. 13CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  14. 14. Sistemas de Control en Lazo Cerrado: Ejemplo ___EJERCICIO___  En un sistema formado por un depósito de agua con un aporte de agua q1 sin control y otro aporte controlado q4 mediante electroválvula x4. La extracción de agua q2 se realiza mediante una bomba que funciona mientras hay agua en el depósito o manualmente q3 mediante la válvula x3.  Se trata de diseñar un sistema de control en lazo cerrado que corrija la perturbación provocada por variaciones en la entrada q1.  La variables de referencia será el el nivel máximo permisible ho y la variable de salida será el nivel del depósito real h.  Dos detectores de nivel mandarán información a las válvulas X3 (cuando se active el detector superior) y X4 (cuando lo haga el inferior) para vaciar y llenar el depósito, respectivamente. q1 q2 ho COMPARADOR h CONTROLADOR DEPÓSITO error q3 q4 14CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  15. 15. Función de transferencia  FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA o TRANSMITANCIA de un sistema de control es la expresión matemática que relaciona la variable de salida con la variable de entrada. y(t) x(t) y(t) g(t) g(t) x(t) y(t) g(t) x(t)  Representa el modelo matemático que sigue el comportamiento del sistema independientemente de cómo esté construido éste.  Se representa en función de la variable o parámetro del cual depende el proceso; normalmente el tiempo, temperatura, presión,… y(t) u(t) g(t) g(t) R x(t) i(t) 15CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  16. 16. Diagrama de bloques (I)  Un sistema de control se representa mediante sencillos diagramas de flujo en los que las variables son flechas cuya dirección indica el sentido de circulación de la señal, y los diferentes elementos mediante figuras geométricas (rectángulos, círculos,…). Son los DIAGRAMAS DE BLOQUES. x(t) variables x(t) y(t)= g(t)·x(t) g(t) bloques bifurcadores comparadores 16CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  17. 17. Diagrama de bloques (II) x(t) y(t) g1(t) g2(t) g3(t) x(t) y(t) g(t) Bloques en serie y(t)= g(t)·x(t) g(t)= g1(t)·g2(t)·g3(t) 17CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  18. 18. Diagrama de bloques (III) y1(t) g1(t) y(t) x(t) ± g2(t) y2(t) x(t) y(t) g(t) Bloques en paralelo y(t)= g(t)·x(t) g(t)= g1(t) ± g2(t) 18CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  19. 19. Diagrama de bloques (IV) COMPARADOR x(t) y(t) + g(t) e(t) - x1(t) Sistemas realimentados h(t)  g(t) es la función de transferencia del proceso sin realimentar y(t)=g(t)x(t)  h(t) es la función de transferencia del bucle de realimentación x1(t)=h(t)y(t) y(t)=g(t)e(t) Realimentación negativa Realimentación positiva y(t) g(t) y(t) g(t) x(t) l g(t)h(t) x(t) l g(t)h(t)  A veces se compara directamente con la salida sin actuar sobre ella. Entonces h(t)=1. 19CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  20. 20. Algebra de diagramas de bloques (I) Transposición de un punto de bifurcación 20CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  21. 21. Algebra de diagramas de bloques (II) Transposición de un punto de suma 21CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  22. 22. Algebra de diagramas de bloques (III) ___EJERCICIO___  Reducir el diagrama de bloques de la figura. 22CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  23. 23. Algebra de diagramas de bloques (IV) ___EJERCICIO___  Reducir el diagrama de bloques de la figura. 23CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  24. 24. Algebra de diagramas de bloques (V) ___EJERCICIO___  Reducir el diagrama de bloques de la figura. 24CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  25. 25. Algebra de diagramas de bloques (VI) ___EJERCICIO (PAU UIB set 2010) ___  Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H que relaciona la salida Xout con la entrada Xin x1(t) x1(t)= xin(t)·[ 1+ P1] xout(t)= xin(t)·P3 – x1(t) · P2 H = P3 - P2 (1+ P1) xout(t)= xin(t)·P3 - xin(t) ·[ 1+ P1] P2 xout(t)= xin(t)·[P3 – P2 – P1 P2 ] 25CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  26. 26. Algebra de diagramas de bloques (VII) ___EJERCICIO (PAU UIB jun 2012)___  Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H que relaciona la salida Xout con la entrada Xin 26CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  27. 27. Algebra de diagramas de bloques (VII) ___EJERCICIO (PAU UIB set 2011)___  Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H que relaciona la salida Xout con la entrada Xin 27CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  28. 28. Elementos de un sistemas de control (I)  Dispositivos de entrada de órdenes:  Binarios: Dan órdenes del tipo si/no, verdadero/falso, activado/desactivado… Los principales son pulsadores, interruptores y conmutadores.  Alfanuméricos: Permiten introducir números y/o letras. Los principales son teclados y preselectores digitales.  Dispositivos de entrada de información: Son sensores y toman datos de las variables implicadas en el proceso (de estado y salidas) y se las envían a la unidad e control. Hay sensores de temperatura, presión, posición, humedad,…  Dispositivos de salida de información: Son indicadores para los operarios.  Binarios: pilotos, sirenas, timbres,…  Alfanuméricos: displays de 7 segmentos, impresoras, pantallas crt, lcd, tft,…  Analógicos: indicadores de aguja,… 28CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  29. 29. Elementos de un sistemas de control (II)  Controlador: A partir de la información proporcionada por los dispositivos de entrada (sensores) establece como debe reaccionar el actuador mediante órdenes. Muchas veces se necesita de acondicionadores de señal para adaptar las señales de los sensores a las entradas de los controladores.  Actuadores o accionadores: A partir de las órdenes del controlador actúan sobre el proceso para modificar su comportamiento. Pueden ser motores, calefactores,…). Muchas veces se necesita de preactuadores para conectar los controladores a los actuadores: relés, contactores, válvulas distribuidoras, variadores de tensión,… 29CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  30. 30. Elementos de un sistemas de control (III) Control en lazo abierto x(t) y(t) CONTROLADOR ACCIONADOR PROCESO Control en lazo cerrado COMPARADOR x(t) y(t) CONTROLADOR ACCIONADOR PROCESO e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) 30CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  31. 31. Elementos de un sistemas de control (IV) ___EJERCICIO___  Diseñar un sistema para controlar la temperatura del agua de una cafetera. COMPARADOR x(t) y(t) CONTROLADOR ACCIONADOR PROCESO e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR)  Proceso: calentar el agua de un recipiente hasta una temperatura determinada, que viene dada por una referencia indicada por un termómetro exterior.  Accionador: se usará una resistencia eléctrica.  Transductor: se usará un sensor de temperatura. Por ejemplo una termoresistencia de platino.  Comparador: tiene que comparar las temperaturas medida y de referencia. En este caso, el controlador incorporará esta función.  Controlador: diseño electrónico 31CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  32. 32. Controladores COMPARADOR x(t) y(t) CONTROLADOR ACCIONADOR PROCESO GC GA GP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H Y G G CG AG P M M GC X l GH 1 G CG AG P H G A G P (1 MH)  El diseño de un sistema de control automático supone el diseño de un sistema que cumpla la función de transferencia M  En la práctica se recurre a controladores estándar, cuya elección depende de la naturaleza del proceso a controlar y del número de parámetros ajustables que requiera. 32CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  33. 33. Controladores: tipos  Los controladores estándar tienen un comportamiento que responde a un modelo matemático básico. Dependiendo de este pueden ser: PARÁMETROS CONTROLADOR IDENTIFICADOR AJUSTABLES Proporcional P 1 Proporcional derivativo PD 2 Proporcional integral PI 2 Proporcional integral derivativo PID 3 33CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  34. 34. Controladores: Respuesta de un sistema  A la hora de estudiar un sistema de control, se analiza su respuesta frente a señales conocidas y se asocia este comportamiento al tipo de error generado. La señales de entrada más usuales son: Entrada en escalón Entrada en rampa Entrada parabólica  Es una variación brusca  Es una variación lenta de  Es una variación lenta de la referencia. la referencia. inicialmente y brusca  La respuesta del sistema  La respuesta del sistema después de la referencia. se interpreta como un se interpreta como un  La respuesta del sistema error de posición. error de velocidad. se interpreta como un error de aceleración. 34CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  35. 35. Controladores: Régimen transitorio y Régimen permanente A la hora de analizar el funcionamiento de un sistema de control distinguiremos entre dos situaciones:  El Régimen Transitorio es el tiempo que transcurre desde que se da la orden de referencia hasta que el sistema responde con la respuesta deseada  El Régimen Permanente es el tiempo que transcurre mientras el sistema mantiene la respuesta deseada y se producen las correcciones necesarias para responder a perturbaciones o para modificar el comportamiento de éste. La respuesta de un sistema ante una variación de la entrada de referencia (entrada en escalón) consiste en una oscilación respecto del valor a adquirir hasta llegar a la estabilidad 35CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  36. 36. Control proporcional: P (I)  Consiste en un amplificador de ganancia variable y trata de ajustar la ganancia de la cadena directa.  Así se consigue una respuesta más rápida ante una variación de la referencia (entrada en escalón) aunque se tarda más en estabilizarse.  Se consigue mejorar el régimen permanente aunque empeore el transitorio (necesario un compromiso). COMPARADOR x(t) y(t) ACCIONADOR PROCESO KP GA GP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H K PG AG P M 1 K P G AG PH 36CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  37. 37. Control proporcional: P (II)  A la diferencia entre el valor de referencia y la respuesta del sistema se le llama offset, interesa que sea pequeño y que una posible perturbación no haga que aumente demasiado y que el sistema no sea capaz de corregirlo.  Se puede establecer una banda de proporcional por encima y debajo del valor de referencia dentro de la cual la variable de salida será proporcional a la desviación del sistema respecto de la referencia, disminuyendo según aumenta esta desviación hasta el valor cero cuando la desviación sea máxima. Así llegaremos a la estabilidad. 37CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  38. 38. Control proporcional: P (III) Interesa que la banda no sea muy estrecha para que las oscilaciones lleguen a estabilizarse, pero tampoco muy ancha para que el offset permitido no sea muy grande. Banda proporcional estrecha Banda proporcional estrecha 38
  39. 39. Control proporcional: P (IV) ___EJERCICIO___  Explicar el funcionamiento de un sistema de control proporcional para controlar la temperatura del agua de una cafetera.  Una vez definida la temperatura que interesa (referencia) podemos establecer un margen de temperaturas admisible (banda proporcional).  El régimen transitorio empieza cuando el calentador empieza a calentar el agua. Lo hará hasta el límite inferior de la banda.  Entonces el controlador disminuirá la intensidad del calefactor hasta llegar al límite superior de la banda.  En este momento el controlador desconectará el calefactor y la temperatura descenderá. Cuando llegue a la temperatura de referencia, el controlador volverá a conectar el calefactor.  El retardo hará que la temperatura aun descienda un poco (pero dentro de la banda) para volver a subir.  En este momento se producen algunas oscilaciones y se llega el régimen permanente. 39CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  40. 40. Control proporcional derivativo: PD (I)  En la acción proporcional, aumentar la ganancia hace que se consiga una respuesta más rápida ante una variación de la referencia (entrada en escalón) aunque se tarde más en estabilizarse, mejorando el régimen permanente aunque empeorando el transitorio.  La acción derivativa representa que la salida responde también de forma proporcional a la velocidad de los cambios de la referencia (entrada en rampa), mejorando el transitorio y haciendo que el sistema alcance el régimen permanente más rápido y con menos oscilaciones.  Matemáticamente la función derivativa es una derivada de la velocidad de cambio de la referencia. x(t) y(t) d ACCIONADOR PROCESO KD GP e(t) dt GA x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H 40CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  41. 41. Control proporcional derivativo: PD (II)  El controlador PD lleva a cabo una predicción; conociendo cual será la respuesta del sistema, intenta avanzarse.  El controlador PD presenta dos grandes ventajas:  El sistema es menos oscilatorio gracias a la acción derivativa (mejora el régimen transitorio)  El sistema compensa mejor las perturbaciones  La principal desventaja es que la respuesta del sistema frente a un escalón es mayor que en el caso de los controladores P.  Algunos controladores PD poseen una función manual de reset (MR) para corregir manualmente el offset 41CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  42. 42. Control proporcional integral: PI (I)  Se usa cuando interesa más la capacidad de estabilización que la rapidez de respuesta.  En la acción proporcional, al disminuir la ganancia empeora la respuesta más rápida ante una variación de la referencia mejorando el régimen transitorio aunque empeorando el régimen permanente.  La acción integral mejora el régimen permanente y elimina el offset que se produce con los controladores P y PD.  Matemáticamente la función integral es una integral de la velocidad de cambio de la referencia. COMPARADOR x(t) t y(t) ACCIONADOR PROCESO K I ...d(t) GA GP e(t) 0 x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H 42CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  43. 43. Control proporcional integral: PI (II)  El tiempo de integración se ajusta según las características de la carga, teniendo en cuenta que:  Para una carga determinada, si el tiempo es demasiado corto se puede producir inestabilidad en la salida  Si el tiempo es demasiado largo la respuesta del sistema y la eliminación del offset son lentas  El regulador PI funciona de la misma manera ante una perturbación, mejorando el régimen permanente. 43CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  44. 44. Control proporcional integral derivativo: PID (I)  Combina las tres acciones: proporcional, derivativo e integral, por lo que es válido para controlar cualquier proceso.  La acción proporcional reduce las oscilaciones en régimen transitorio.  La acción derivativa corrige los cambios producidos en la magnitud controlada durante el régimen permanente como consecuencia de una perturbación externa.  La acción integral corrige el offset y ajusta el valor de la variable al la referencia. t de(t) KP e(t) K D K I ...d(t) dt 0 COMPARADOR x(t) y(t) ACCIONADOR PROCESO GA GP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H 44CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  45. 45. Control proporcional integral derivativo: PID (II)  El control automático de procesos busca controlar la respuesta del sistema y le estabilidad del mismo.  La respuesta en régimen permanente (control continuo) ante modificaciones de las condiciones de funcionamiento, como cambios del valor de la referencia o variaciones en la carga.  La respuesta en régimen transitorio (arranque inicial). En ocasiones interesa llegar al valor de referencia lo antes posible prescindiendo de precisión, y en otra interesa ajustar la salida a la referencia aunque se tarde mucho en hacerlo.  El usuario tendrá que ajustar los valores del regulador PID para obtener la respuesta de control que lleve al resultado deseado. En la mayoría de los casos, estos valores implicarán un compromiso entre las respuestas en los regímenes transitorio y permanente.  Algunos controladores PID comerciales calculan automáticamente estos valores; pero siempre tendremos que realizar los ajustes pertinentes. 45CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  46. 46. Control todo/nada (I)  El sistema de control se activa o desactiva cuando la salida del sistema se aleja o alcanza el valor de referencia, respectivamente.  La salida del sistema de control sólo puede adoptar dos estados: conectado o desconectado.  Un ejemplo típico de este tipo de control es una estufa con termostato. e(t) x(t) - x1 (t) c(t) 1 si e(t) x1 (t) c(t) 0 si e(t) x1 (t) COMPARADOR c(t) x(t) y(t) ACCIONADOR PROCESO GA GP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H 46CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  47. 47. Control todo/nada (II)  El control todo/nada tiene menos precisión en el ajuste de la variable al valor de referencia (régimen permanente) y consume más energía en la fase de arranque (régimen transitorio). 47CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  48. 48. Control todo/nada (III) ___EJERCICIO___  Analiza y compara el control de un proceso para calentar un metal hasta una temperatura mínima de 200ºC, utilizando control todo/nada y controladores proporcionales. Régimen permanente  Con un controlador todo/nada la variable oscilará entorno a la referencia, por lo que tendremos que situar este punto por encima de 200ºC si queremos que el metal siempre esté por encima de esa temperatura.  Con un controlador PID podemos situar la referencia en 200ºC ya que el PID ajustará el offset y la salida a la referencia.  Por tanto, el PID permite menor consumo ahorrando energía. 48CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  49. 49. Control todo/nada (IV) ___EJERCICIO___  Analiza y compara el control de un proceso para calentar un metal hasta una temperatura mínima de 200ºC, utilizando control todo/nada y controladores proporcionales. Régimen transitorio  Durante la fase de arranque y hasta que el metal consigue la temperatura de referencia, un controlador todo/nada aporta el cien por cien de la potencia.  Con un controlador P se reduce la aportación de potencia en cuanto se alcanza por primera vez el nivel inferior de la banda proporcional.  Por tanto, el P permite menor consumo ahorrando energía, u genera menos oscilaciones en la salida. 49CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  50. 50. Transductores  Transductores son dispositivos que transforman una magnitud física en otra magnitud física, normalmente eléctrica, que esté relacionada con la primera y sea más fácilmente procesable. VARIABLE ENTRADA SENSOR + ACONDICIONADOR + ETAPA DE SALIDA VARIABLE SALIDA Transductor  Convierte una magnitud  Filtra, preamplifica y  Relés, convertidores de física en una señal trata la señal para código, transmisores, etc. eléctrica. adaptarla a la entrada Adaptan la señal a la de la siguiente etapa. entrada del comparador o controlador. 50CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  51. 51. Transductores: clasificación (I) Podemos hacer distintas clasificaciones:  Activos o pasivos si requieren o no alimentación.  Analógicos, digitales o todo/nada según la naturaleza de la señal generada.  Dependiendo de la magnitud física que miden. Piezoeléctrico de espesor De presión De temperatura Ultrasónico 51CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  52. 52. Transductores: clasificación (II) 52CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  53. 53. Transductores de posición Responden con una señal eléctrica que permite definir puntos en el sistema. Interesa conocer tanto su vida eléctrica útil como su vida mecánica útil. A este grupo pertenecen:  Microinterruptores conmutados, normalmente abiertos o normalmente cerrados.  Pulsadores  Finales de carrera  Ópticos 53CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  54. 54. Transductores de proximidad (I) Responden con una señal eléctrica cuando detectan un objeto en su proximidad, sin necesidad de contacto físico. Normalmente se puede ajustar su sensibilidad para definir la distancia de detección. Existen varios tipos:  Inductivos: Su funcionamiento se basa en la variación de un campo magnético. Consisten en una bobina que al ser recorrida por una corriente produce un campo magnético cuyo flujo varía al acercar un objeto metálico como consecuencia de las corrientes que se inducen en él. La variación de flujo se convierte en variación de resistencia eléctrica.  Capacitivos: Su funcionamiento se basa en la variación de un campo eléctrico. Consisten en una capacidad entre una placa sensora y tierra que varía al introducir un objeto ya que lo hace el dieléctrico.  Magnéticos  Ópticos 54CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  55. 55. Transductores de proximidad (II) 55CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  56. 56. Transductores de movimiento (I) Responden con una señal eléctrica que depende de la distancia entre dos objetos. Por tanto, miden distancias y realizan recuentos de piezas. Según el principio de funcionamiento existen varios tipos: PRINCIPIO DE TRANSDUCTOR DISTANCIA FUNCIONAMIENTO Luminoso Propagación de luz Pocos Km Rádar Propagación de OEM Pocos Km Ultrasónico Propagación de ultrasonidos Pocos m Potenciómetro Variación resistencia eléctrica Pocos m Regla graduada Comparación con escala Hasta 1m Transformador diferencial Variación tensión eléctrica Pocos mm 56CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  57. 57. Transductores de movimiento (II) Según el tipo de movimiento a detectar pueden ser: TRANSDUCTOR MOVIMIENTO Potenciómetro lineal, regla graduada, lineal transformador diferencial, medidor láser Potenciómetro angular, medidor láser, encoders angular 57CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  58. 58. Transductores de movimiento: Potenciómetro  Es una resistencia variable cuyo valor depende de la posición del contacto móvil o cursor. Según el movimiento del cursor pueden ser lineales y angulares.  Son sencillos. El mayor problema que plantean es el desgaste mecánico a causa de la fricción y la aparición de arcos. 58CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  59. 59. Transductores de movimiento: Transformador diferencial  Es un transformador formado por un primario dos secundarios y un núcleo móvil. De manera que al desplazar el núcleo, varía su inductancia y por tanto la tensión de salida.  Tiene mucha sensibilidad ya que la inductancia varía mucho con desplazamientos mínimos del núcleo, por lo que se usa para medir desplazamientos cortos. 59CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  60. 60. Transductores de movimiento: Medidor láser  Consiste en un emisor láser y un receptor del rayo reflejado en el objeto.  Poniendo dos medidores se pueden medir también grosores (en serie) y diferencias de nivel (en paralelo). 60CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  61. 61. Transductores de movimiento angular: Encoders o codificadores ópticos (I)  Proporcionan información sobre la posición del eje de giro respecto de la posición inicial. Están basados en elementos ópticos y la salida es una señal digital. Existen dos tipos:  Encoders incrementales: Una rueda agujereada gira de forma solidaria con el eje; una pareja de emisor receptor de luz determinan según los agujeros si hay movimiento (mouse PC). Pueden medir posición, movimiento y velocidad (ya que soportan regímenes de giro elevados).  Encoders absolutos: Un disco dividido en sectores pintados en blanco y negro recibe la luz de 4 emisores, que es reflejada solo por las zonas blancas; de manera que 4 receptores proporcionan combinaciones de 4 bits, generando diferentes códigos: decimal, binario, BCD, Gray.  Los encoders se usan en robótica para determinar la posición de los brazos robots, para cortar cable de una determinada longitud, para determinar las coordenadas de un plotter, para calcular la posición, rotación y velocidad de una máquina de carpintería, empaquetadora, de carga, cintas transportadoras, etc. 61CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  62. 62. Transductores de movimiento angular: Encoders o codificadores ópticos (II) 62CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  63. 63. Transductores de movimiento angular: Encoders o codificadores ópticos (III) 63CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  64. 64. Transductores de presión (I)  Miden la fuerza que por unidad de superficie se ejerce sobre un objeto. Existen diferentes tipos:  Mecánicos: Determinan la presión por comparación con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas. Son los más sencillos.  Electromecánicos: Añaden a los anteriores un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. Según su principio de funcionamiento pueden ser: resistivos (la presión mueve un cursor sobre una resistencia bobinada), magnéticos, capacitivos, extensométricos o piezoeléctricos (materiales como el cuarzo varían su resistencia eléctrica al ser presionados).  Electrónicos: Son los más precisos.  Ópticos 64CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  65. 65. Transductores de presión (II) 65CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  66. 66. Transductores de temperatura  Miden la temperatura de un objeto, lugar o proceso. Existen diferentes formas de medir temperatura dependiendo de si existe contacto o no entre sensor y objeto: CARACTERÍSTICA FUNDAMANTO TIPO Bimetal Mecánico Expansión Magnetismo Con contacto físico Semiconductor Eléctrico Termopar Termistor Sin contacto físico Térmico Pirómetro 66CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  67. 67. Transductores de temperatura: Termopares (I)  Son dos metales de diferente naturaleza soldados en uno de sus extremos (unión caliente). Al tener diferentes potenciales de oxidación se genera en la unión una pequeñísima diferencia de potencial que varía con la temperatura. Pueden ser de tres tipos: TERMOPAR CARACTERÍSTICA VENTAJAS INCONVENIENTES Expuestos Contacto directo Rapidez de respuesta Poca duración Alta inmunidad al ruido Funda en contacto y eléctrico Aislados unión caliente Lentitud de respuesta Ausencia de masa aislada Larga duración Conectados Funda y unión en Velocidad de respuesta a masa contacto media 67CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  68. 68. Transductores de temperatura: Termopares (II) 68CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  69. 69. Transductores de temperatura: Termistores (I)  Son materiales cuyo valor de resistencia eléctrica varía con la temperatura. Normalmente la variación no es lineal sino exponencial. Existen básicamente tres tipos:  NTC: (Negative Temperature Coefficient). Su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Suelen usarse como protección de elementos semiconductores o como medidores de temperatura (serie o paralelo). B t R Ae A y B son ctes 69CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  70. 70. Transductores de temperatura: Termistores (II)  PTC: (Positive Temperature Coefficient). Su resistencia aumenta al aumentar la temperatura en la zona lineal, en las zonas 1 y 3 se comporta como un NTC. Suelen usarse como protección de elementos semiconductores o como medidores de temperatura (serie o paralelo). 70CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  71. 71. Transductores de temperatura: Termistores (III)  Termorresistencias de platino: Su resistencia aumenta el aumentar la temperatura de forma lineal. Funcionan mejor para bajas temperaturas y son más precisas. 71CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  72. 72. Transductores de velocidad Según el tipo de velocidad a medir pueden ser: TRANSDUCTOR MOVIMIENTO Transductores de movimiento lineal Tacómetros, encoders angular Los tacómetros son dispositivos mecánicos o electrónicos capaces de medir la velocidad de giro de un objeto y expresarla en rpm. 72CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  73. 73. Fotocélulas (I) Son transductores formados por un emisor de luz y un receptor integrados en un mismo cuerpo. Su funcionamiento se basa en la emisión de un haz de luz y la recepción o no de éste para poder detectar movimiento, presencia, diferencias de brillo, transparencias o medir niveles y distancias. 73CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES
  74. 74. Fotocélulas (II) 74CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES

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