acciones basicas de control
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UNIVERSIDAD “FERMÍN TORO”VICERRECTORADO ACADÉMICO
FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE INGENIERIA EN COMPUTACIÓN
ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL
Alumnos:Fuentes, Juan. C.I.: 20.928.478Giménez, Carlos. C.I.: 14.978.520Medina, Emberth. C.I.: 16.324.888Cátedra: Teoría de Control I.Semestre: VI . Sección: NI-16.Profesor: Ing. Marienny Arriechi.
CABUDARE, NOVIEMBRE DE 2009
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INTRODUCCIÓN
Desde que el hombre comenzó a industrializar y a tratar de controlar
los procesos, procurando una intervención mínima del hombre, surgió la
necesidad del idear un efecto de control “inteligente” que disminuyera la
brecha entre la salida deseada y la salida real. Los primeros sistemas de
control fueron rudimentarios y cumplían medianamente con esta finalidad.
Luego de los desarrollos en la ingeniera y específicamente en los
sistemas de control, se encontraron las respuestas a tales necesidades,
mediante modelados matemáticos y su combinación con la tecnología
hidráulica, que fue una de las primeras utilizadas en los sistemas de control,
la neumática y la electrónica, se obtuvieron respuestas, dando como
resultado complejos sistemas de control que requieren un mínimo de
intervención de operación humana para su funcionamiento.
Las acciones básicas de control están constituidas por varias modelos,
como lo son el control proporcional, el integral, el derivativo y la combinación
entre estos, los cuales pueden aportar la solución correcta al problema
planteado. De este modo la presente investigación no tiene por finalidad
presentar un modelado matemático de las acciones de control, en vista que
tales desarrollos se pueden encontrar en las bibliografías referentes al tema,
sino que se pretende dar una explicación básica de cómo traba cada acción
de control y sus combinaciones con la finalidad de obtener la salida deseada
de un sistema de control.
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ACCIONES BASICAS DE CONTROL
En un proceso industrial algunas variables como la temperatura,
presión, flujo o nivel de líquido son determinantes para la operación de
cualquier sistema, de tal manera que se hace necesario mantener regulados
sus valores deseados para garantizar la estabilidad y seguridad del mismo.
Esto se realiza mediante dispositivos (controladores) diseñados para
desarrollar una acción sobre las desviaciones que se observen en los valores
de dichas condiciones. Lo anterior requiere del acoplamiento con un
mecanismo de medición y transmisión (Sensor/Transmisor) de la variable de
proceso como fuente de información para la acción correctiva junto con otro
mecanismo de ejecución de la acción reguladora decidida por el controlador.
Por acción básica se entiende que el controlador amplifique, integre o
derive la información de entrada o desarrolle una suma entre algunas de
estas acciones. De acuerdo a esto, los controladores que usualmente se
incluyen dentro de un proceso son:
1. Controladores de dos posiciones o intermitentes (encendido –
apagado)
2. Proporcional (P).
3. Integral (I)
4. Proporcional – integral (PI).
5. Derivativa (D)
6. Proporcional – derivativo (PD).
7. Proporcional – integral – derivativo (PID).
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Casi todos los controladores industriales emplean como fuente de
energía la electricidad o la presión de un fluido como el aire o el aceite.
Los controladores también pueden clasificarse, de acuerdo con el tipo
de energía que utilizan en su operación, como:
1. Neumáticos.
2. Hidráulicos.
3. Electrónicos.
El tipo de controlador que se use debe decidirse con base en la
naturaleza de la planta y las condiciones operacionales, incluyendo
consideraciones tales como seguridad, costo, disponibilidad, confiabilidad,
precisión, peso y tamaño.
Control de dos posiciones o de encendido – apagado
En un sistema de control de dos posiciones, el actuador tiene solo dos
posiciones fijas, que en muchos casos son, simplemente conectado y
desconectado. El controlador de dos posiciones, o de encendido-apagado es
relativamente simple y económico y por esta razón es ampliamente utilizado.
La salida del controlador on/off permanece en un valor máximo o
mínimo, según sea la señal de error positiva o negativa, de manera que
u (t )=U 1 , parae (t )>0
u (t )=U 2 , parae ( t )<0
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Donde U1 y U2 son constantes. Esto significa que si la variable
controlada está por encima del valor deseado, u(t) cae a su valor mínimo,
usualmente 0, y si está debajo, va a su máximo.
El rango en el que la señal de error debe variar antes que se produzca
la conmutación, se denomina brecha diferencial o zona muerta. Tal brecha
diferencial hace que la salida del controlador u(t) mantenga su valor hasta
que la señal de error haya rebasado ligeramente el valor cero.
Un ejemplo sencillo para este tipo de control es el termostato de un
aire acondicionado que se fija a una temperatura determinada. Cuando la
temperatura del ambiente baja al set point del termostato, el compresor del
aire acondicionado se apaga, caso contrario, si la temperatura del ambiente
es mal alta que el set point, entonces el compresor enciende hasta llevar la
temperatura ambiente a la deseada.
Ventajas
Son de fácil instalación.
Son de bajo costo.
Desventajas
La brecha diferencial para la conmutación encendido apagado, debe
ajustarse de tal maneta que no provoque daños al equipo controlado.
Reduce la vida útil de los componentes si no es aplicado de forma
racional al sistema que se quiere controlar.
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Acción de Control Proporcional
Para un controlador de acción de control proporcional, la relación entre
la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t), es
u (t )=K p e (t )
O bien,
U (s )E (s )
=K p
El controlador proporcional es esencialmente un amplificador de
ganancia ajustable.
La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y
la constante proporcional como para que hagan que el error en estado
estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores
solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control,
siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin
embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir
del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los
deseados. Este fenómeno se llama sobre oscilación y, por razones de
seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte
proporcional ni siquiera produzca sobre oscilación. Hay una relación lineal
continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento
final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad de
desviación).
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Los controladores que son únicamente proporcionales tienen la
ventaja de que solo cuentan con un parámetro de ajuste, Kp sin embargo,
adolecen de una gran desventaja, operan con una desviación, o “error de
estado estacionario” en la variable que se controla.
Ejemplo:
Figura 1
Fuente: Internet
Se tiene el circuito de control de nivel que se muestra en la figura 1;
supóngase que las condiciones de operación de diseño son:
qi=qo=150gpm
h= 6 pies;
Supóngase también que, para que pasen 150 gpm por la válvula de
salida la presión de aire sobre ésta debe ser de 9 psig. Si el flujo de entrada
se incrementa, la respuesta del sistema con un controlador proporcional es
como se ve en la figura 1.
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El controlador lleva de nuevo a la variable a un valor estacionario pero
este valor no es el punto de control requerido; la diferencia entre el punto de
control y el valor de estado estacionario de la variable que se controla es la
desviación.
Figura 2
Fuente: Internet
En la figura 2 se muestran dos curvas de respuesta que corresponden
a dos diferentes valores del parámetro de ajuste Kc. Se aprecia que cuanto
mayor es el valor de Kc, menor es la desviación, pero la respuesta del
proceso se hace más oscilatoria; sin embargo, para la mayoría de los
procesos existe un valor máximo de Kc, más allá del cual el proceso se hace
inestable
La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor
manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga
algún componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es
incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa.
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Ventajas:
La instantaneidad de aplicación
La facilidad de comprobar los resultados
Desventajas:
La falta de inmunidad al ruido
La imposibilidad de corregir algunos errores en el régimen
permanente.
Acción de Control Integral
El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el
error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control
integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de
consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción
proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o
sumarlo por un periodo de tiempo determinado; Luego es multiplicado por
una constante I, que representa la constante de integración. Posteriormente,
la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el
control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema
sin error estacionario.
El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90º
que sumados a los 180º de la retroalimentación ( negativa ) acercan al
proceso a tener un retraso de 270º, luego entonces solo será necesario que
el tiempo muerto contribuya con 90º de retardo para provocar la oscilación
del proceso. La ganancia total del lazo de control debe ser menor a 1, y así
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inducir una atenuación en la salida del controlador para conducir el proceso a
estabilidad del mismo. Se caracteriza por el tiempo de acción integral en
minutos por repetición. Es el tiempo en que delante una señal en escalón, el
elemento final de control repite el mismo movimiento correspondiente a la
acción proporcional.
El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset
(desviación permanente de la variable con respeto al punto de consigna) de
la banda proporcional.
La fórmula del integral está dada por:
I sal=K i∫0
t
e (τ )dτ
Efecto de la Acción de Control Integral
Ante una entrada escalón el control P presenta un corrimiento en la
respuesta m(t); claro está que la diferencia entre la señal que ingresa al
controlador e(t) y la que sale m(t) determina un error, que en este caso se
mantiene en el tiempo, debido a lo cual se lo denomina error estacionario.
Recordamos que en la acción de control P, la respuesta es proporcional a la
entrada e(t), de modo que si ésta se estabiliza m(t) también lo hará de
manera proporcional.
En el control integral, en cambio, la respuesta m(t) es proporcional a la
integral de e(t), por consiguiente la señal m(t) no se estabilizará mientras la
integral de e(t) no sea nula.
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Así el control integral elimina el corrimiento u offset que no puede
corregir el control proporcional, en otras palabras elimina el error
estacionario.
No todo es virtud para este tipo de control, ya que puede llevar a una
respuesta oscilatoria (tiende a desestabilizar) lo que no es deseable. Como
acotación obsérvese que los factores1/s presentes en cualquier transferencia
se los denomina integradores pues como sabemos dividir por s en el dominio
transformado implica integrar.
Ventajas:
Elimina errores de Offset o desplazamiento de la señal de salida.
Desventajas:
Puede conducir a respuestas oscilatorias de amplitud creciente o
decreciente.
Acción de Control Proporcional-Integral
La acción de control proporcional integral (PI) se define mediante
u (t )=K p e ( t )+K p
T i∫
0
t
e ( t )dt
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Es decir que es la suma de la acción de control proporcional y la
integral, función transferencia es
U (s)E(s)
=K p(1+1T i s )
En donde Kp es la ganancia proporcional y Ti se denomina tiempo
integral. Tanto Kp como Ti son ajustables. El tiempo integral ajusta la acción
de control integral, mientras que un cambio de valor de Kp afecta las partes
integral y proporcional de la acción de control. El inverso del tiempo integral
Ti se denomina velocidad de reajuste. La velocidad de reajuste es la cantidad
de veces por minuto que se duplica la parte proporcional de la acción de
control. La velocidad de reajuste se mide en términos de las repeticiones por
minuto.
Acción de Control Derivativa
La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor
absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos
proporcional e integral).
La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo
corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de
esta manera evita que el error se incremente.
Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y
luego se suma a las señales anteriores (P+I). Es importante adaptar la
respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor
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derivativa corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede
responder acordemente.
La fórmula del derivativo está dada por:
El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en
minutos de anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso
entre el movimiento de la válvula de control y su repercusión a la variable
controlada.
Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en
el proceso. Cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable
oscila demasiado con relación al punto de consigna. Suele ser poco utilizada
debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las complicaciones que
ello conlleva.
El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la variable al
punto de consigna con las mínimas oscilaciones.
Ventajas
La acción derivativa es anticipativa, es decir adelanta la acción de
control frente a la aparición de una tendencia de error (derivada), esto
tiende a estabilizar el sistema puesto que los retardos en controlar lo
tienden a inestabilizar.
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Desventajas
La acción derivativa es prácticamente inaplicable ante la presencia de
ruido, este hace que la variable de control tome valores contrapuestos
y máximos cuando la pendiente del ruido entra como señal de error.
Es necesario entonces filtrar la señal ruidosa dejando pasar solo las
frecuencias de señal que corresponden a la misma y no al ruido.
Efecto de la Acción de Control Derivativa
En este tipo de control la señal respuesta es proporcional a la derivada
primera de e(t), por lo que apenas e(t) varíe su valor la derivada de e(t) lo
demostrará y con mayor valor cuanto más violenta sea la variación ,
confiriéndole al controlador características de anticipar la acción de control lo
que se interpreta como velocidad de reacción.
Efectivamente, el control derivativo puede efectuar correcciones antes
que la magnitud del error e(t) sea significativa, ya que actúa en forma
proporcional a la “velocidad de variación de e(t)”. Como el lector
comprenderá si la derivada de e(t) es nula no hay acción alguna por parte de
este control, lo que implica que no tendrá ningún efecto sobre el error
estacionario constante, también aumenta la amortiguación sobre las
oscilaciones del sistema (tiende a estabilizar) permitiendo usar ganancias Kp
más elevadas.
Acción de Control Proporcional-Integral-Derivativa
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Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control
por realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un
controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se quiere
obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede
ajustar al proceso acorde.
El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros
distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional
determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección
proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un
esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El
Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La
suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un
elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía
suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres constantes
en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control
diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del
controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un
error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de
oscilación del sistema.
El uso del PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la
estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o
dos modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID
puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de
control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya
que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso
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integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de
control.
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un
proceso o sistema se necesita, al menos:
1. Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro,
caudalímetro, manómetro, etc).
2. Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada
(resistencia eléctrica, motor, válvula, bomba, etc.).
El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la
cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema.
La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de
corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de corriente
alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son con corriente continua.
El controlador lee una señal externa que representa el valor que se
desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto
de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de
valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta
compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano,
habrá que establecer algún tipo de interfaz(HMI-Human Machine Interface),
son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se usan para hacer más
intuitivo el control de un proceso. El controlador resta la señal de punto actual
a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que
determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado
(consigna) y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada uno de
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los 3 componentes del controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen
la señal de salida que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador.
La señal resultante de la suma de estas tres se llama variable manipulada y
no se aplica directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada
para ser compatible con el actuador que usemos.
Las tres componentes de un controlador PID son: parte proporcional,
acción Integral y acción Derivativa. El peso de la influencia que cada una de
estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante proporcional,
el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente. Se pretenderá
lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo
posible los efectos de las perturbaciones.
EFECTO DE LAS ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL INTEGRAL Y
DERIVATIVA SOBRE EL DESEMPEÑO DEL SISTEMA
El efecto principal de la acción de control integral es que elimina el
offset en la salida, es decir el desplazamiento de la respuesta cuando la
entrada es de tipo escalón, condición que no se puede eliminar con el control
proporcional.
Aunque la acción de control integral elimina el offset o el error en
estado estable, se va a obtener a la salida una respuesta oscilatoria
decreciente lenta o incluso creciente, lo que representa un inconveniente
difícil de contrarrestar.
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En el caso de la acción de control derivativa, su ventaja es que cuando
se agrega a un controlador proporcional, aporta una alta sensibilidad que
responde a la velocidad de cambio del error y evita que la brecha entre el
valor deseado de salida y la salida real se haga muy grande. Por esto, este
tipo de control tiende a aumentar la estabilidad del sistema. Este sistema de
control añade un efecto de amortiguamiento del sistema, eliminando las
oscilaciones a la salida al momento de corregir el error, lo que representa
una solución al sistema de control integral.
En vista que la acción de control derivativa opera sobre la velocidad de
cambio del error y no sobre el error, este sistema de control debe usarse en
conjunto con otro para obtener la respuesta deseada
CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES
SEGÚN LA ENERGÍA QUE UTILIZAN
Casi todos los controladores industriales emplean como fuente de
energía la electricidad o la presión de un fluido como el aire o el aceite. Así
que, los controladores también pueden clasificarse, de acuerdo con el tipo de
energía que utilizan en su operación, como:
1. Neumáticos.
2. Hidráulicos.
3. Electrónicos.
Controladores Neumáticos.
Los controladores neumáticos son un sistema de control muy usado
en ciertas aplicaciones, por ejemplo, cuando grandes válvulas requieren altas
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presiones de cerrado se seleccionan actuadores neumáticos debido a que
estos pueden proveer un mayor cierre a un costo mucho menor que los
actuadores eléctricos.
En los controladores neumáticos, el aire de suministro es llevado al
controlador a una presión constante, usualmente entre 15 a 25 psig. Este
flujo de suministro provee volumen para llenar grandes áreas dentro de los
dispositivos controlados y las tuberías de conexión, y presión del mismo que
provee la fuerza para hacer el trabajo requerido.
Existen dos tipos básicos de controladores neumáticos: de sangrado
de bajo volumen y del tipo relay de alto volumen.
Controlador de bajo volumen de sangrado
El controlador de sangrado bajo consiste en un elemento sensor, un
dial para establecer el punto requerido (setpoint), un deslizador de
sensibilidad, un puerto de control y la tapa. El controlador de bajo volumen
requiere un suministro de aire restringido para limitar la capacidad de
suministro de aire al controlador y al dispositivo controlado. Este tipo de
controlador purgará la presión de suministro restringida a la presión
requerida por el dispositivo de control para satisfacer el valor establecido por
el controlador (setpoint). Esto se logra a través del movimiento del elemento
sensor que es transmitido al diafragma a través del poste, la palanca y
finalmente a la tapa y puerto de control. Ver figura 3.
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Figura 3
Fuente: Internet
La función de comparación del controlador de sangrado compara la
posición del dial establecido (setpoint) con la posición del elemento sensor a
través de una conexión mecánica. La conexión mecánica ubica la tapa en
relación al puerto de control y convierte la posición en una presión que es
transmitida al dispositivo de control.
Controlador de alto volumen de sangrado
Adicionalmente al dial para establecer el punto requerido (setpoint), el
deslizador de sensibilidad, diafragma de retroalimentación, puerto de control
y tapa del controlador de sangrado, el controlador de alto volumen contiene
un relay que permite usar presión de suministro directamente para ubicar el
dispositivo controlado. El relay está diseñado para usar el aire a través de
dos circuitos separados: circuito piloto y amplificador de volumen. El circuito
piloto es de volumen pequeño y un flujo de aire reducido el cual es
restringido por un orificio arreglado puesto en un valor de 5 a 7 pulgadas de
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agua de presión y un flujo de aproximadamente 20 plg3/min con el elemento
o tapa lejos del puerto de control.
La presión piloto es regulada por la posición del elemento relativa al
puerto de control, incrementando al mismo valor de la presión de suministro
sin flujo cuando el puerto está totalmente cerrado. El cambio en la presión
piloto es traducida en movimiento del circuito amplificador de volumen; este
movimiento regula la gran capacidad de flujo de aire de suministro a la línea
de salida y dispositivo controlado. La función de comparación del controlador
de tipo relay es similar que el de sangrado excepto que la posición de la tapa
es convertida a una presión neumática a través del circuito piloto. Ver figura
4.
Figura 4
Fuente: Internet
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El consumo de aire del controlador de tipo relay es menor debido a
que la cámara piloto consume menos aire que el puerto de control del
controlador de tipo sangrado. El tiempo de respuesta del controlador de tipo
sangrado es mucho mayor debido a que el aire de suministro es restringido.
Esto es lo más notable en aplicaciones que tienen largas líneas de aire o
grandes actuadores que requieren grandes volúmenes de aire.
Otros autores como Ogata (1998 p.244 a p.247) los clasifica de la
siguiente forma:
1. Controladores neumáticos proporcionales (de tipo fuerza-distancia)
2. Controladores neumáticos proporcionales (de tipo fuerza-balance)
Controladores neumáticos proporcionales (de tipo fuerza-distancia)
Está constituido por dos tapas, la primera etapa es un amplificador de
tobera-aleta, donde la presión trasera de la tobera se controla mediante la
distancia de la tobera-aleta, luego la segunda etapa es un relevador donde la
presión trasera de la tobera (1ra etapa) controla la posición de la válvula de
diafragma que es capaz de manejar una gran cantidad de flujo de aire.
La señal de entrada en este dispositivo es la señal de error, un
incremento en esta señal mueve la palanca hacia la izquierda, lo que hace
aumentar la presión trasera de la tobera y la válvula de diafragma se mueve
hacia abajo, provocando un aumento en la presión de control. Luego el fuelle
se expande y mueve la aleta hacia la derecha, con lo cual se abra la tobera.
El desplazamiento tobera-aleta puede ser pequeño pero la variación en la
presión de control puede ser grande. Ver Figura 5.
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Figura 5
Fuente: Ogata (1998)
Controladores neumáticos proporcionales (de tipo fuerza-balance)
Se les conoce también como controladores apilados, y su principal
ventaja es que elimina los enlaces mecánicos y uniones de pivote,
reduciendo los efectos de fricción.
En este tipo de controlador la señal de entrada y de salida son señales
neumáticas, y funciona mediante diafragmas conectados a un vástago que
por diferencia de presión se mueven, provocando variaciones en la presión
de control. Ver Figura 6.
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Figura 6
Fuente: Ogata (1998)
Controladores hidráulicos
Se usan generalmente cuando existen masas significativas sujetas a
fuerzas de cargas externas. Su funcionalidad la describen factores como: su
positividad, precisión, flexibilidad, razón peso-potencia y su rápido arranque,
paro y reversa que realiza con suavidad y precisión.
Su presión de operación es variable, entre 145 y 5000 psi, la cual es
suministrada por una bomba de desplazamiento positivo y luego la presión
puede ser regulada por otros dispositivos de acuerdo a uso que se le va a
dar.
Según Ogata (1998) existen varios tipos de controladores hidráulicos:
1. Controladores hidráulicos integrales.
2. Controladores hidráulicos proporcionales.
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Controladores hidráulicos integrales.
Están constituidos por un amplificador y un actuador de potencia hidráulica,
controlado por una válvula piloto.
Cuando se tiene en la entrada x una fuerza que desplaza la válvula piloto, se
descubren los puertos, bien sea el I o el II por lo tanto se introduce aceite en
el lado derecho o izquierdo del pistón de potencia, provocando el efecto de
control deseado. Ver figura 7.
Figura 7
Fuente: Ogata (1998)
Controladores hidráulicos proporcionales
Se diferencia del integral en vista que este cuenta con un enlace de
realimentación, en este caso la entrada es el error a través de la barra ABC,
lo que provoca un desplazamiento de la válvula piloto en esta caso hacia la
derecha, así, el aceite a alta presión para a la cámara derecha, provocando
el un movimiento del pistón de potencia hacia la izquierda, que a su vez
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moverá la válvula piloto hacia la izquierda, provocando el cierre del paso II,
de esta forma el sistema mantiene el equilibrio. Ver Figura 8.
Figura 8
Fuente: Ogata (1998)
Sistemas de control Electrónicos
Esta familia de controles usa señales eléctricas analógicas,
usualmente voltaje más que corriente para cumplir con las funciones de
comparar y controlar.
Los dispositivos de medición son usualmente del tipo de resistencia
variable los mismos que pueden medir temperatura, presión humedad o flujo.
La medición de salida de estos sensores son por variación de una resistencia
proporcional al parámetro de medición. Del mismo modo, el punto
establecido (setpoint) es manualmente ajustado como operador de entrada al
controlador el cual es usualmente una resistencia variable como un
potenciómetro. Estos dos valores de la misma escala de medición
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(resistencia eléctrica) son comparadas entre sí en un circuito llamado un
“circuito de puente”.
Los circuitos de puente son realizados en los principios básicos de un
divisor de voltaje; “cualquier voltaje de corriente directa aplicado a través de
un par de resistencias eléctricas será dividido a través de ellos en la misma
proporción de sus valores de resistencia eléctrica”.
Ejemplo
Si 10 v de corriente directa son conectados a través de dos
resistencias idénticas, ellos partirán el voltaje equitativamente, cada uno
experimentará 5 voltios. Si R1 es de 1000 ohmios y R2 es de 2000 ohmios,
la partición será de 3.33 voltios a través de R1 y 6.67 voltios a través de R2.
Esta es la naturaleza de un divisor de voltaje. Figura 9.
Figura 9
Fuente: Internet
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En el caso de sensor/ controlador, una de las resistencias, R2 es
ajustado y el otro, R1 es el sensor. Cuando la resistencia R1 varía según
varía el parámetro a medir, una diferencia de voltaje se va a experimentar a
través de las dos resistencias debido al divisor de voltaje. Cualquier
resistencia censada mayor a la resistencia establecida por el punto
predeterminado (setpoint) creará un mayor voltaje proporcional a través del
puente y cualquier resistencia censada menor a la resistencia establecida por
el punto predeterminado (setpoint) creará un gran voltaje negativo
proporcional a través del puente. Así es como los controles electrónicos
cumplen la función de comparación requerida para el control.
Luego que el comparador produce una señal positiva o negativa
representando el error entre la medición del sensor y el valor requerido
(setpoint), el bloque amplificador debe llevar la señal de bajo nivel a un nivel
útil. La cantidad de amplificación debe ser ajustable de tal forma que la
sensibilidad del controlador se pueda calibrar para un cambio proporcional
apropiado, como señal de salida, relativa al tamaño del error medido en el
comparador. Como un verdadero controlador proporcional, los pequeños
errores sólo requieren pequeñas respuestas para corregir el error, no una
respuesta demasiado larga.
En controles electrónicos el dispositivo de amplificación más común es
llamado amplificador operacional o Op-Amp (por sus siglas en inglés). Ver
Figura 10
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Figura 10
Fuente: Internet
Esto es un circuito electrónico de transistores pre-empacado que lleva
cualquier voltaje conectado a este, a un multiplicador ajustado. Tiene una
entrada positiva y una negativa, si el op-amp tiene un rango de amplificación
100:1, 0.1 voltios cargados al terminal positivo (+) será aumentado a una
salida de 10 voltios. Debido a que esta respuesta puede ser muy grande para
un pequeño cambio en la entrada se debe aumentar un ajuste en la
sensibilidad la misma que se logra con una resistencia variable conectado
entre la salida y la entrada negativa (-), R7. Esto viene a ser una
retroalimentación negativa que cancelará una parte de la amplificación
preestablecida en el op-amp, de esta forma el controlador se ajusta al
tamaño de su respuesta proporcional a un cambio en el valor de entrada.
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EJEMPLOS Y APLICACIONES
Sistema de Control de una Unidad de Turbogeneración a Gas
Como introducción sencilla a los ejemplos, podemos definir una
turbina de generación eléctrica a gas, como una máquina térmica que trabaja
según el ciclo termodinámico de brayton y esta a su vez esta acoplada
mediante una caja de reducción a un generador eléctrico, cuya salida para
este caso es de 13,8kV y es capaz de generar hasta 18MW.
La turbina a estudiar es una General Electric modelo MS-5001P, esta
turbomáquina presenta múltiples sistemas de control complejos para su
correcta operación, sin embargo aquí se describirán los más fácil de observar
para cumplir con el objetivo planteado, ellos son:
Sistema de combustible gaseoso (GLP)
Sistema de enfriamiento de trinquete hidráulico (ratchet)
Sistema de combustible gaseoso
En la figura 11 se observa un diagrama sencillo del sistema de control,
la entrada del sistema es el lado izquierdo, donde se cuenta con un sistema
de medición de la presión de gas y el flujo del gas. Luego se cuenta con una
válvula de venteo manual para mantenimiento y la operación de control como
tal ocurre en la válvula de parada (20FG) y la válvula de control que regula el
flujo de gas que va a los quemadores (lado derecho del diagrama)
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Figura 11
Fuente: ENELBAR (2009)
La válvula de parada es controlada por una servoválvula hidráulica
que recibe señales de varios sistemas como lo son el sistema de detección
de incendio, sistema de parada de emergencia manual eléctrico, el sistema
de parada de emergencia manual hidráulico, el sistema de monitoreo de
vibraciones, disparo por sobrevelocidad. La función de esta válvula es cortar
de forma abrupta el suministro de gas en caso de emergencia. La
servoválvula que controla la válvula de disparo está alimentada por un
circuito de disparo hidráulico que se mantiene presurizado a 1200 psi
aproximadamente, cuando la servo válvula detecta una caída de presión
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debido a una emergencia anunciada por los sistemas anteriormente descrito,
acciona la válvula de disparo cortando el suministro de gas.
La válvula de control de gas (GCV) se encuentra aguas debajo de la
válvula de disparo, tiene la función de regular la cantidad del flujo de gas y su
disposición de tapón y asiento, La válvula se abre en relación directa a una
señal de comando de flujo de combustible proveniente del sistema del control
(SPEEDTRONIC). Esta señal se llama voltaje variable de control (abreviado
como VCE). El VCE puede variar de 0 a 20V C.C. sin embargo su rango
efectivo es de 4,0V a 20,0 V para la apertura de la válvula de la posición
completamente cerrada a completamente abierta. Su configuración es del
tipo de sobrecarrera cerrada, es decir, tiene una acción de resorte hacia la
posición cerrada.
El VCE “le dice” al mecanismo de servo que la GCV, que la mueva
para controlar el flujo de gas, del cual depende la carga de la máquina (MW)
o su velocidad (en caso de no estar sincronizada a la red eléctrica).
El VCE a su vez es limitado por otros subsistemas, como lo son el
control de arranque (sistema complejo para llevar la máquina desde el
reposo a la operación full carga), el control de temperatura, el cual limita la
operación de la maquina a no más de 500 °C y el control de velocidad que
limita la operación del eje de la turbina a no más de 112% de su velocidad
nominal (5100 RPM).
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Sistema de enfriamiento de trinquete hidráulico (ratchet)
Figura 12
Fuente: ENELBAR (2009)
En la figura12 se observa el diagrama esquemático de tuberías del
sistema de trinquete hidráulico, la función de este sistema es proporcionar el
par que vence la inercia del eje para el arranque inicial, girar el eje de la
turbina ¼ de vuelta cada 3 minutos luego de ser para proporcionar un
enfriamiento uniforme al eje para evitar su flexión y para rotar el eje en
labores de mantenimiento.
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El ratchet hidráulico es alimentado por una bomba de desplazamiento
positivo que suministra aceite a una presión de 1200 psi, esta bomba puede
ser activada manualmente, por el sistema de control de arranque o cada 3
min cuando el eje esta en enfriamiento. La bomba alimenta a una válvula
hidráulica de 2 vías que dependiendo de su posición alimenta un cilindro
hidráulico que hace mover una cremallera y un juego de engranajes que
provoca la rotación del eje en 90° en sentido horario.
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CONCLUSIONES
Evidentemente un sistema de control para un proceso productivo
acarrea grandes gastos a la industria y luego de estudiar y comprender cada
una de las acciones de control, sus ventajas, desventajas y la respuesta de
cada una de ellas a la salida de un sistema, es necesario comprender que la
acción de control más compleja y costosa no es necesariamente la que mejor
se adapta al proceso productivo. Para ello el ingeniero de control o el asesor
en la materia de control, debe tener claros conocimientos del proceso
productivo y su efecto en el producto final para seleccionar la acción de
control técnica y económicamente adecuada para dar solución a la situación.
Muchos técnicos inexpertos pudieran concluir que una acción de
control PID, es la solución a todos los sistemas que se quieren controlar, sin
embargo dependiendo de la situación se pueden utilizar sistemas de control
menos complejos que satisfagan la necesidad sin la necesidad de caer en
soluciones tan complejas que en vez de solucionar el problema lo que hace
es acarrear costos adicionales de mantenimiento y operación que
disminuyen la relación costo beneficio de la organización.
En definitiva, se recomienda realizar un estudio de cuál es el sistema
de control adecuado para la planta, donde se obtenga la respuesta
adecuada, basándose siempre en la relación costo beneficio del resultado
final de la organización.
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BIBLIOGRAFIA
Creus, Antonio. (1997) Instrumentación Industrial. 6ta Edición. Editorial
Marcombo. México
General Electric. (1977). Heavy Duty Gas Turbines. MS-5001 Service
Manual.
Ogata, Katsuhiko. (1998). Ingeniería de Control Moderna. 3ra edición.
Editorial Prentice Hall. México.
Petrotech Inc. (2005). Manual de Operación del sistema de control digital
de la turbinas N ° 3 y N° 4 de ENELBAR. USA
Fuentes Electrónicas
www.elprisma.com
www.wikipedia.org