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SISTEMAS
AUTOMÁTICOS 

- SISTEMAS DE CONTROL -
Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN
Dpto. de Tecnología
IES CAP DE LLEVANT - M...
2
Contenido
• Concepto de automatismo. Estructura de un sistema automático. Entrada, proceso y salida.
Descripción de sist...
3
Sistemas Automáticos de Control (I)
• SISTEMA DE CONTROL es conjunto de elementos ligados
dinámicamente que actúan coord...
3
Sistemas Automáticos de Control (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
PROCESO
SISTEMA
...
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Tecnologías de Control
• TECNOLOGÍAS DE CONTROL son todos los
procedimientos y sistemas que permiten automatizar
máquina...
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Sistemas de Control: Variables (I)
• VARIABLE o SEÑAL de un sistema de control es cualquier
magnitud física variable que...
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Sistemas de Control: Variables (II)
Internas
de Entrada
Indican la situación del proceso a partir de la que se
producirá...
PROCESO
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Sistemas de Control: Esquema básico
SUBPROCESO
1
SUBPROCESO
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SUBPROCESO
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VARIABLES
INTERNAS
ESTADO
VARIABLES
I...
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Sistemas de Control: Ejemplos I
• En un sistema formado por un circuito RC en el que el condensador
adquiere una determi...
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Sistemas de Control: Ejemplos II
• En un sistema formado por un depósito de agua con un aporte de
agua q1 sin control y ...
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Sistemas de Control: Ejemplos III
• En un sistema formado por un intercambiador de calor que dispone de una
entrada de a...
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Sistemas de Control: Tipos (I)
LAZO ABIERTO LAZO CERRADO
SISTEMAS DE
CONTROL
• Es el más sencillo
• Una vez activado el...
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Sistemas de Control en Lazo Abierto
• Las variables de control se ajustan según el comportamiento previsible del sistem...
12
Sistemas de Control en Lazo Abierto:
Ejemplo II
• En un sistema formado por un depósito de agua con
un aporte de agua q...
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Sistemas de Control en Lazo Abierto:
Ejemplo III
• En un sistema formado por un intercambiador de calor que
dispone de ...
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Sistemas de Control en Lazo Cerrado
• Hay una relación entre las variables de entrada y la respuesta del sistema
• Se d...
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Sistemas de Control en Lazo Cerrado:
Ejemplo II
• En un sistema formado por un depósito de agua con un
aporte de agua q...
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Sistemas de Control en Lazo Abierto:
Ejemplo III
• En un sistema formado por un intercambiador de calor que
dispone de ...
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Sistemas de Control en Lazo Abierto:
Ejemplo III
• En un sistema formado por un intercambiador de calor que
dispone de ...
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Diseño de un Sistema de Control
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• En primer lugar, e...
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Función de transferencia
• FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA o TRANSMITANCIA de un
sistema de control es la expresión matemática...
16
Diagrama de bloques (I)
• Un sistema de control se representa mediante sencillos diagramas de flujo
en los que las vari...
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Diagrama de bloques (II)
g1(t)
x(t)
Bloques en serie
g2(t)
y(t)
g3(t)
y(t)= g(t)·x(t)
g(t)= g1(t)·g2(t)·g3(t)
g(t)
x(t)...
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Diagrama de bloques (III)
Bloques en paralelo
y(t)= g(t)·x(t)
g(t)= g1(t) ± g2(t)
g(t)
x(t) y(t)
±
g1(t)
x(t)
y(t)
g2(t...
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Diagrama de bloques (IV)
g(t)h(t)l
g(t)
x(t)
y(t)
+
=
Sistemas realimentados
• g(t) es la función de transferencia del ...
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Algebra de diagramas de bloques (I)
Transposición de un punto de bifurcación
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TR...
21
Algebra de diagramas de bloques (II)
Transposición de un punto de suma
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUC...
Algebra de diagramas de bloques (III)
• Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H
que rel...
Algebra de diagramas de bloques (IV)
• Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H
que rela...
Algebra de diagramas de bloques (V)
• Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H
que relac...
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Algebra de diagramas de bloques (VI)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
___EJERCICIO___...
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Algebra de diagramas de bloques (VII)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
___EJERCICIO__...
Algebra de diagramas de bloques (VIII)
___EJERCICIO___
• Reducir el diagrama de bloques de la figura.
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CONTENIDO SISTEMA...
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Elementos de un sistemas de control (I)
• Dispositivos de entrada de órdenes:
• Binarios: Dan órdenes del tipo si/no,
v...
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Elementos de un sistemas de control (II)
• Controlador: A partir de la información proporcionada
por los dispositivos d...
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ACCIONADOR
Elementos de un sistemas de control (III)
PROCESOCONTROLADOR
x(t)
y(t)
COMPARADOR
e(t)
x1(t)
TRANSDUCTOR (SE...
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Elementos de un sistemas de control (IV)
ACCIONADOR PROCESOCONTROLADOR
x(t)
y(t)
COMPARADOR
e(t)
x1(t)
TRANSDUCTOR (SEN...
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Elementos de un sistemas de control (V)
ACCIONADOR PROCESOCONTROLADOR
x(t)
y(t)
COMPARADOR
e(t)
x1(t)
TRANSDUCTOR (SENS...
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Controladores
ACCIONADOR
GA
PROCESO
GP
CONTROLADOR
GC
x(t) y(t)
COMPARADOR
e(t)
x1(t)
TRANSDUCTOR (SENSOR)
H
MH)(1GG
M
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Controladores: tipos
• Los controladores estándar tienen un comportamiento que responde a
diferentes modelos matemático...
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Controladores: Respuesta de un
sistema (I)
• E s u n a v a r i a c i ó n
brusca de la referencia.
• L a r e s p u e s t...
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Controladores: Respuesta de un
sistema (II)
• I D E A L M E N T E , l a
salida será un escalón
idéntico con un cierto
r...
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Controladores: Régimen transitorio y
Régimen permanente
A la hora de analizar el funcionamiento de un sistema de contro...
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Control proporcional: P (I)
• Consiste en un amplificador de ganancia variable
y trata de ajustar la ganancia de la cad...
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Control proporcional: P (II)
• A la diferencia entre el valor de referencia y la respuesta del sistema se le llama
offs...
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Control proporcional: P (III)
• Interesa que la banda no sea muy estrecha para que las oscilaciones
lleguen a estabiliz...
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Control proporcional: P (IV)
• Una vez definida la temperatura que interesa (referencia)
podemos establecer un margen d...
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• En la acción proporcional, aumentar la ganancia hace
que se consiga una respuesta más rápida ante una
variación de la...
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Control proporcional derivativo: PD (II)
• El controlador PD lleva a cabo una predicción; conociendo cual será la
respu...
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• Se usa cuando interesa más la capacidad de
estabilización que la rapidez de respuesta.
• En la acción proporcional, a...
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Control proporcional integral: PI (II)
• El tiempo de integración se ajusta según las características de la carga,
teni...
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• Combina las tres acciones: proporcional,
derivativo e integral, por lo que es válido para
controlar cualquier proceso...
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Control proporcional integral derivativo:
PID (II)
• El control automático de procesos busca controlar la respuesta del...
46
• El sistema de control se activa o desactiva cuando la
salida del sistema se aleja o alcanza el valor de
referencia, r...
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Control todo/nada (II)
• El control todo/nada tiene menos precisión en el ajuste de la variable al
valor de referencia ...
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Control todo/nada (III)
• Con un controlador todo/nada la variable oscilará
entorno a la referencia, por lo que tendrem...
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Control todo/nada (IV)
• Durante la fase de arranque y hasta que el
metal consigue la temperatura de referencia,
un con...
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Transductores
• Relés, convertidores de
código, transmisores, etc.
Adaptan la señal a la
entrada del comparador o
contr...
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Transductores: clasificación (I)
Podemos hacer distintas clasificaciones:
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANS...
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Transductores: clasificación (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
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Transductores de posición
Responden con una señal eléctrica que permite definir puntos en el
sistema. Interesa conocer ...
54
Transductores de proximidad (I)
Responden con una señal eléctrica cuando detectan un objeto en su
proximidad, sin neces...
55
Transductores de proximidad (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
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Transductores de movimiento (I)
Responden con una señal eléctrica que depende de la distancia entre
dos objetos. Por ta...
57
Transductores de movimiento (II)
Según el tipo de movimiento a detectar pueden ser:
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEME...
58
Transductores de movimiento:
Potenciómetro
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• Es una ...
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Transductores de movimiento:
Transformador diferencial
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADOR...
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Transductores de movimiento:
Medidor láser
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• Consist...
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Transductores de movimiento angular:
Encoders o codificadores ópticos (I)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANS...
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Transductores de movimiento angular:
Encoders o codificadores ópticos (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRAN...
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Transductores de movimiento angular:
Encoders o codificadores ópticos (III)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRA...
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Transductores de presión (I)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• Miden la fuerza que p...
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Transductores de presión (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
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Transductores de temperatura
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• Miden la temperatura ...
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Transductores de temperatura: Termopares (I)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• Son d...
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Transductores de temperatura: Termopares (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
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Transductores de temperatura: Termistores (I)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• Son ...
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Transductores de temperatura: Termistores (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• PTC...
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Transductores de temperatura: Termistores (III)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
• Te...
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Transductores de velocidad
Según el tipo de velocidad a medir pueden ser:
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANS...
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Fotocélulas (I)
Son transductores formados por un emisor de luz y un receptor
integrados en un mismo cuerpo. Su funcion...
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Fotocélulas (II)
CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
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Sistemas automáticos

  1. 1. SISTEMAS AUTOMÁTICOS 
 - SISTEMAS DE CONTROL - Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN Dpto. de Tecnología IES CAP DE LLEVANT - MAÓ TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO Maó - 2010
  2. 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  3. 3. 3 Sistemas Automáticos de Control (I) • 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. Intentan además conseguir que una máquina o proceso realice sus funciones con la mínima intervención humana SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROL CONTENIDO SISTEMA DE CONTROL Proporcionan una respuesta sobre el comportamiento del proceso sin perder eficiencia y evitando su desestabilización SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  4. 4. 3 Sistemas Automáticos de Control (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES PROCESO SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROL señales de control funcionamiento ideal del proceso (consignas) salidaentrada • Es importante tener un conocimiento exhaustivo del funcionamiento dinámico del proceso y su modelado matemático
  5. 5. 4 Tecnologías de Control • TECNOLOGÍAS DE CONTROL son todos los procedimientos y sistemas que permiten automatizar máquinas, aparatos y procesos de fabricación CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  6. 6. 5 Sistemas de Control: Variables (I) • VARIABLE o SEÑAL de un sistema de control es cualquier magnitud física variable que pueda ser medida y utilizada para transmitir información de forma continua. Normalmente son eléctricas. Analógicas Digitales Híbridas VARIABLES Magnitudes físicas Sistemas Binarios Microprocesadores Internas de Entrada Dependen del proceso No dependen del proceso Influyen en el comportamiento dinámico del proceso CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES Según su naturaleza Según su origen
  7. 7. 6 Sistemas de Control: Variables (II) Internas de Entrada Indican la situación del proceso a partir de la que se producirá la evolución de estado de salida de control perturbaciones VARIABLES Indican la evolución del proceso. Permiten medir Se pueden modificar para actuar sobre el proceso Son imprevistos y no se pueden modificar CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  8. 8. PROCESO 7 Sistemas de Control: Esquema básico SUBPROCESO 1 SUBPROCESO 2 SUBPROCESO 3 VARIABLES INTERNAS ESTADO VARIABLES INTERNAS SALIDA CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES VARIABLES EXTERNAS PERTURBACIONES VARIABLES EXTERNAS CONTROL VARIABLES INTERNAS ESTADO VARIABLES INTERNAS ESTADO
  9. 9. 8 Sistemas de Control: Ejemplos I • 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. ___EJERCICIO___ • 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,… CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  10. 10. 9 Sistemas de Control: Ejemplos II • 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. ___EJERCICIO___ • 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  11. 11. 9 Sistemas de Control: Ejemplos III • En un sistema formado por un intercambiador de calor que dispone de una entrada de agua fría e1 sin control y una salida de agua caliente controlada s1 mediante electroválvula xs. La variación de la temperatura del agua se consigue mediante el aporte de vapor a través de una válvula xe que escapará posteriormente de forma libre por la salida s2. El sistema dispone de una sonda termométrica t para medir la temperatura de salida del agua. ___EJERCICIO___ • De estado: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y la extracción de agua (xs) • De salida: la temperatura de salida del agua. (t) • De control: la entrada de vapor (xe ) • Perturbaciones: se puede considerar la entrada e1 si su caudal no es controlable. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  12. 12. 10 Sistemas de Control: Tipos (I) LAZO ABIERTO LAZO CERRADO SISTEMAS DE CONTROL • Es el más sencillo • Una vez activado el proceso se ejecuta durante un tiempo prefijado independientemente del resultado obtenido. • El dispositivo controlador no supervisa el resultado de la salida del proceso. • Los componentes son más precisos y costosos. • Muy sensible a perturbaciones externas. • Es más complejo pero ejerce mayor control • Una vez activado el proceso, se analiza la salida de éste y si no cumple una consigna programada el dispositivo controlador modifica las entradas y mantiene el proceso activo hasta que la salida cumpla la consigna. (siempre hay un margen de tolerancia). • Permite emplear componentes de menor precisión y coste. • Poco sensible a perturbaciones externas. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  13. 13. 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 CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  14. 14. 12 Sistemas de Control en Lazo Abierto: Ejemplo II • 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. ___EJERCICIO___ • Es necesario conocer perfectamente las variables de estado: el nivel inicial del depósito h y el caudal extraído por la extracción q2, y establecer la previsión sobre la entrada q1. • Las variables de control a ajustar son la entrada q4 y la extracción q3 con las válvulas correspondientes para no alcanzar el nivel máximo permisible ho. • Si ocurre alguna perturbación como por ejemplo una aportación de agua de la entrada q1 no constante, el sistema no reaccionará ,pudiendo sobrepasar ho o incluso vaciarse. DEPÓSITO CONTROLADOR q1 q2 q3 q4 ho CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  15. 15. 12 Sistemas de Control en Lazo Abierto: Ejemplo III • En un sistema formado por un intercambiador de calor que dispone de una entrada de agua fría e1 sin control y una salida de agua caliente controlada s1 mediante electroválvula xs. La variación de la temperatura del agua se consigue mediante el aporte de vapor a través de una válvula xe que escapará posteriormente de forma libre por la salida s2. El sistema dispone de una sonda termométrica t para medir la temperatura de salida del agua. ___EJERCICIO___ • Es necesario conocer perfectamente las variables de estado: flujos de vapor y agua, presiones de vapor y la extracción de agua (xs), y establecer la previsión sobre la entrada de agua e1. • La variable de control a ajustar es la entrada de vapor Xe que permite calentar el agua hasta la temperatura deseada. • Si ocurre alguna perturbación como por ejemplo una aportación no constante de agua al intercambiador, el sistema no reaccionará, pudiendo no llegar a la temperatura deseada o sobrepasarla bruscamente. INTERCAMBIADOR CONTROLADOR e1 xs xe Tª deseada CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES s2
  16. 16. 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. • Un exceso de corrección puede producir oscilaciones en el sistema (inestabilidad) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  17. 17. 14 Sistemas de Control en Lazo Cerrado: Ejemplo II • 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. ___EJERCICIO___ • Se trata de diseñar un sistema de control en lazo cerrado que corrija la perturbación provocada por variaciones en la entrada q1. • La variable de referencia será el nivel máximo permisible ho y la variable de salida será el nivel del depósito real h. • CONTROLADOR+COMPARADOR: 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. DEPÓSITOCONTROLADOR q1 q2 q3 q4 ho h COMPARADOR error CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  18. 18. 12 Sistemas de Control en Lazo Abierto: Ejemplo III • En un sistema formado por un intercambiador de calor que dispone de una entrada de agua fría e1 sin control y una salida de agua caliente controlada s1 mediante electroválvula xs. La variación de la temperatura del agua se consigue mediante el aporte de vapor a través de una válvula xe que escapará posteriormente de forma libre por la salida s2. El sistema dispone de una sonda termométrica t para medir la temperatura de salida del agua. ___EJERCICIO___ CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES 14 • Se trata de diseñar un sistema de control en lazo cerrado que corrija la perturbación provocada por variaciones en la entrada de agua e1. • La variable de referencia será la Tª deseada para el agua y la variable de salida será la Tª real. • CONTROLADOR+COMPARADOR: La sonda termométrica mandará información DE LA Tª real al conjunto controlador y éste a la válvula Xe (se abrirá o cerrará según se necesite o no aumentar la Tª del agua)
  19. 19. 12 Sistemas de Control en Lazo Abierto: Ejemplo III • En un sistema formado por un intercambiador de calor que dispone de una entrada de agua fría e1 sin control y una salida de agua caliente controlada s1 mediante electroválvula xs. La variación de la temperatura del agua se consigue mediante el aporte de vapor a través de una válvula xe que escapará posteriormente de forma libre por la salida s2. El sistema dispone de una sonda termométrica t para medir la temperatura de salida del agua. ___EJERCICIO___ CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES 14 INTERCAMBIADORCONTROLADOR e1 s2 xe Tª COMPARADOR errorTª deseada xs TERMÓMETRO
  20. 20. 14 Diseño de un Sistema de Control CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • En primer lugar, es importante tener un conocimiento exhaustivo del funcionamiento dinámico del proceso y su modelado matemático. Después se deben incluir las siguientes etapas: 1. Definir los objetivos de control. Normalmente se busca la estabilidad del proceso y la operación óptima y eficiente del mismo. 2. Identificar variables. Cuáles pueden ser medidas y cuales manipuladas 3. Seleccionar la configuración del sistema de control. Lazo abierto, cerrado, etc. 4. Especificar los elementos de monitorización y control. Sensores, acondicionadores, transmisores, controladores, actuadores, compradores,… 5. Diseño de los controladores.
  21. 21. 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. x(t) y(t) g(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,… g(t) y(t)x(t) x(t)g(t)y(t) ⋅= i(t) u(t) x(t) y(t) g(t) == Rg(t) = CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  22. 22. 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. g(t) y(t)= g(t)·x(t)x(t) x(t) variables bloques comparadores bifurcadores CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  23. 23. 17 Diagrama de bloques (II) g1(t) x(t) Bloques en serie g2(t) y(t) g3(t) y(t)= g(t)·x(t) g(t)= g1(t)·g2(t)·g3(t) g(t) x(t) y(t) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  24. 24. 18 Diagrama de bloques (III) Bloques en paralelo y(t)= g(t)·x(t) g(t)= g1(t) ± g2(t) g(t) x(t) y(t) ± g1(t) x(t) y(t) g2(t) y1(t) y2(t) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  25. 25. 19 Diagrama de bloques (IV) g(t)h(t)l g(t) x(t) y(t) + = Sistemas realimentados • 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) y(t) COMPARADOR e(t) x(t) x1(t) + - h(t) g(t) g(t)h(t)l g(t) x(t) y(t) − = Realimentación negativa Realimentación positiva • A veces se compara directamente con la salida sin actuar sobre ella. Entonces h(t)=1. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  26. 26. 20 Algebra de diagramas de bloques (I) Transposición de un punto de bifurcación CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES E(s) G(s) E(s) G(s) E(s) G(s) E(s) G(s) E(s) G(s) E(s) E(s) G(s) E(s)
  27. 27. 21 Algebra de diagramas de bloques (II) Transposición de un punto de suma CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES G(s) [E1(s)+E2(s)] G(s) [E1(s)+E2(s)] G(s)E1(s)+E2(s) G(s)E1(s)+E2(s)
  28. 28. Algebra de diagramas de bloques (III) • Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H que relaciona la salida Xout con la entrada Xin ___EJERCICIO (PAU UIB set 2011)___ 27 CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  29. 29. Algebra de diagramas de bloques (IV) • Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H que relaciona la salida Xout con la entrada Xin x1(t)= xin(t)·[ 1+ P1] xout(t)= xin(t)·P3 - xin(t) ·[ 1+ P1] P2 xout(t)= xin(t)·P3 – x1(t) · P2 xout(t)= xin(t)·[P3 – P2 (1+ P1 )] H = P3 - P2 (1+ P1) ___EJERCICIO (PAU UIB set 2010) ___ 25 CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES x1(t)
  30. 30. Algebra de diagramas de bloques (V) • Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la función de transferencia H que relaciona la salida Xout con la entrada Xin ___EJERCICIO (PAU UIB jun 2012)___ 26 CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  31. 31. 22 Algebra de diagramas de bloques (VI) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES ___EJERCICIO___ • Reducir el diagrama de bloques de la figura.
  32. 32. 23 Algebra de diagramas de bloques (VII) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES ___EJERCICIO___ • Reducir el diagrama de bloques de la figura.
  33. 33. Algebra de diagramas de bloques (VIII) ___EJERCICIO___ • Reducir el diagrama de bloques de la figura. 24 CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  34. 34. 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,… CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  35. 35. 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,… CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  36. 36. 30 ACCIONADOR Elementos de un sistemas de control (III) PROCESOCONTROLADOR x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) Control en lazo cerrado ACCIONADOR PROCESOCONTROLADOR x(t) y(t) Control en lazo abierto CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  37. 37. 31 Elementos de un sistemas de control (IV) ACCIONADOR PROCESOCONTROLADOR x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) • Diseñar un sistema para controlar la temperatura del agua de una cafetera. ___EJERCICIO___ • 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 En lazo abierto se prefijaría un tiempo de activación del actuador estimado previamente para conseguir llegar a la Tª deseada. El controlador sería un temporizador CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  38. 38. 31 Elementos de un sistemas de control (V) ACCIONADOR PROCESOCONTROLADOR x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) • Diseñar un sistema para controlar la velocidad del limpiaparabrisas de un coche. ___EJERCICIO___ • Proceso: accionar el limpiaparabrisas de un coche a la velocidad adecuada; según una velocidad referencia determinada fijada desde el exterior manualmente mediante un mando o variable según la cantidad de lluvia. • Accionador: motor eléctrico de continua de dos velocidades, con una reductora. • Transductor: se usará un sensor de humedad. Por ejemplo un diodo emisor de luz más un foto diodo receptor. • Comparador: tiene que comparar la humedad medida y de referencia. En este caso, el controlador incorporará esta función. • Controlador: diseño electrónico CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  39. 39. 32 Controladores ACCIONADOR GA PROCESO GP CONTROLADOR GC x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H MH)(1GG M G HGGG1 GGG GHl G X Y M PA C PAC PAC − =⇒ + = + == • El diseño de un sistema de control automático supone el diseño de un sistema que cumpla la función de transferencia M. Tenemos dos opciones: diseño especifico, a medida, o regulador estándar. • En la práctica se recurre a controladores estándar, cuya elección dependerá de la naturaleza del proceso a controlar y del número de parámetros ajustables que requiera. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  40. 40. 33 Controladores: tipos • Los controladores estándar tienen un comportamiento que responde a diferentes modelos matemáticos básicos. Dependiendo de éstos pueden ser: CONTROLADOR IDENTIFICADOR PARÁMETROS AJUSTABLES Proporcional P 1 Proporcional derivativo PD 2 Proporcional integral PI 2 Proporcional integral derivativo PID 3 CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  41. 41. 34 Controladores: Respuesta de un sistema (I) • E s u n a v a r i a c i ó n brusca de la referencia. • L a r e s p u e s t a d e l sistema se interpreta como un error de posición. Entrada en escalón Entrada en rampa • A la hora de estudiar y seleccionar un sistema de control, se analiza su respuesta frente a señales conocidas y se asocia este comportamiento al tipo de error generado. Se busca que al poner en la entrada una de estas señales, el sistema sea capaz de reproducirlas a su salida • La señales de entrada más usuales son: Entrada parabólica • Es una variación lenta de la referencia. • L a r e s p u e s t a d e l sistema se interpreta como un error de velocidad. • Es una variación lenta inicialmente y brusca después de la referencia. • La respuesta del sistema se interpreta como un error de aceleración. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  42. 42. 34 Controladores: Respuesta de un sistema (II) • I D E A L M E N T E , l a salida será un escalón idéntico con un cierto retardo • El caso más sencillo sería la respuesta a una entrada en escalón: CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES M(t)x(t) y(t) • L a R E A L I D A D p r o d u c e respuestas sobreamortiguadas (sistemas de 1er orden) o subamortiguadas (sistemas 2º orden) SOBREAMORTIGUADA SUBAMORTIGUADA
  43. 43. 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  44. 44. 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). ACCIONADOR GA PROCESO GP KP x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H HGGK1 GGK M PAP PAP + = CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  45. 45. 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 del controlador 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  46. 46. 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 ancha Banda proporcional estrecha
  47. 47. 39 Control proporcional: P (IV) • 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. Calentará 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. • Explicar el funcionamiento de un sistema de control proporcional para controlar la temperatura del agua de una cafetera. ___EJERCICIO___ CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  48. 48. 40 • 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. Control proporcional derivativo: PD (I) ACCIONADOR GA PROCESO GP x(t) y(t) e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H dt d KD • Matemáticamente la función derivativa es una derivada de la velocidad de cambio de la referencia. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  49. 49. 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 • Algunos controladores PD poseen una función manual de reset (MR) para corregir manualmente el offset • La principal desventaja es que la respuesta del sistema frente a un escalón es mayor que en el caso de los controladores P. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  50. 50. 42 • 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. Control proporcional integral: PI (I) ACCIONADOR GA PROCESO GP x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H ∫ t 0 I ...d(t)K • Matemáticamente la función integral es una integral de la velocidad de cambio de la referencia. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  51. 51. 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  52. 52. 44 • 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. Control proporcional integral derivativo: PID (I) ACCIONADOR GA PROCESO GP x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H         ++ ∫ t 0 IDP ...d(t)K dt de(t) Ke(t)K • La acción integral corrige el offset y ajusta el valor de la variable al la referencia. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  53. 53. 45 Control proporcional integral derivativo: PID (II) • El control automático de procesos busca controlar la respuesta del sistema y la 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 otras 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  54. 54. 46 • 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. Control todo/nada (I) ACCIONADOR GA PROCESO GP x(t) y(t) COMPARADOR e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H       <= >= = (t)xe(t)si0c(t) (t)xe(t)si1c(t) (t)x-x(t)e(t) 1 1 1 c(t) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  55. 55. 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). CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  56. 56. 48 Control todo/nada (III) • 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. • 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. ___EJERCICIO___ Régimen permanente CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  57. 57. 49 Control todo/nada (IV) • 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. • 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. ___EJERCICIO___ Régimen transitorio CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  58. 58. 50 Transductores • Relés, convertidores de código, transmisores, etc. Adaptan la señal a la entrada del comparador o controlador. • 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES SENSOR ACONDICIONADOR ETAPA DE SALIDAVARIABLE ENTRADA + + VARIABLE SALIDA Transductor • Filtra, preamplifica y trata la señal para adaptarla a la entrada de la siguiente etapa. • Convierte una magnitud f í s i c a e n u n a s e ñ a l eléctrica.
  59. 59. 51 Transductores: clasificación (I) Podemos hacer distintas clasificaciones: CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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 UltrasónicoDe presión De temperatura
  60. 60. 52 Transductores: clasificación (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  61. 61. 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: CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • Microinterruptores conmutados, n o r m a l m e n t e a b i e r t o s o normalmente cerrados. • Pulsadores • Finales de carrera • Ópticos
  62. 62. 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: CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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
  63. 63. 55 Transductores de proximidad (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  64. 64. 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: CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES TRANSDUCTOR PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DISTANCIA 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
  65. 65. 57 Transductores de movimiento (II) Según el tipo de movimiento a detectar pueden ser: CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES TRANSDUCTOR MOVIMIENTO Potenciómetro lineal, regla graduada, transformador diferencial, medidor láser lineal Potenciómetro angular, medidor láser, encoders angular
  66. 66. 58 Transductores de movimiento: Potenciómetro CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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.
  67. 67. 59 Transductores de movimiento: Transformador diferencial CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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.
  68. 68. 60 Transductores de movimiento: Medidor láser CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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).
  69. 69. 61 Transductores de movimiento angular: Encoders o codificadores ópticos (I) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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.
  70. 70. 62 Transductores de movimiento angular: Encoders o codificadores ópticos (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  71. 71. 63 Transductores de movimiento angular: Encoders o codificadores ópticos (III) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  72. 72. 64 Transductores de presión (I) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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
  73. 73. 65 Transductores de presión (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  74. 74. 66 Transductores de temperatura CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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 FUNDAMENTO TIPO Con contacto físico Mecánico Bimetal Expansión Magnetismo Eléctrico Semiconductor Termopar Termistor Sin contacto físico Térmico Pirómetro
  75. 75. 67 Transductores de temperatura: Termopares (I) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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 Aislados Funda en contacto y unión caliente aislada Alta inmunidad al ruido eléctrico Ausencia de masa Larga duración Lentitud de respuesta Conectados a masa Funda y unión en contacto Velocidad de respuesta media
  76. 76. 68 Transductores de temperatura: Termopares (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  77. 77. 69 Transductores de temperatura: Termistores (I) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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). [ ]ctessonByAt B eAR − =
  78. 78. 70 Transductores de temperatura: Termistores (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • 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).
  79. 79. 71 Transductores de temperatura: Termistores (III) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES • Termorresistencias de platino: Su resistencia aumenta el aumentar la temperatura de forma lineal. Funcionan mejor para bajas temperaturas y son más precisas.
  80. 80. 72 Transductores de velocidad Según el tipo de velocidad a medir pueden ser: CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES 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.
  81. 81. 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. CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES
  82. 82. 74 Fotocélulas (II) CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS TRANSDUCTORESCONTROLADORES

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