REPUBLICA BOLIBARIANA DE VENEZUELA

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO

“SANTIAGO MARIÑO”

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRONICA

EXTENSIÓN MATURIN.

CONTROLADORES AUTOMATICOS

Materia:

Teoria de control

Autor: Eduardo Martínez 19.475.078

Tutor: Ing. Mariangela Pollonais

Maturín, 24 de Julio de 2013

INTRODUCCION

En muchos procesos industriales la función de control es realizada por

un operario (ser humano), este operario es el que decide cuando y como

manipular las variables de modo t al que se obtenga una cadena productiva

Continua y eficiente.

La eficiencia productiva implica el constante aumento de los niveles de

producción de la maquinaria instalada , el mejoramiento de la calidad del

producto final, la disminución de los costos de producción, y la seguridad tanto

para el personal como para los equipos. Para logra r esto es necesario que

los procesos productivos se realicen a la mayor velocidad posible y que las

variables a controlar estén dentro de valores constantes.

Debido a estas exigencias, la industria ha necesitado de la utilización

de nuevos y más complejos procesos, que mucha s veces el operario no

puede controlar debido a la velocidad y exactitud requerida , además

muchas veces las condiciones del espacio donde se lleva a cabo la tarea

no son las más adecuadas para el desempeño del ser humano.

Frente a este panorama , surge la automatización y los sistema s de

control como una solución que va a permitir llevar a la producción a

estándares de calidad mucho mejores.

Actualmente en el mundo, se ve una introducción de las computadoras y de

la microelectrónica en la industria y en la sociedad, esto trae consigo una

extensión del campo de la automatización industrial ya que permite a través

del manejo de la información (señales, datos, mediciones, etc.) transformar los

mecanismos de producción y procesos productivos de algunas industrias.

Se continúa y extiende a sí el proceso de automatización

electromecánica que se inicia a principios del siglo, la nueva era de la

automatización se basa en la fusión de la electrónica con los antiguos

mecanismos automáticos que funcionaban utilizando diferentes medios

mecánicos neumáticos, et c. dando origen a los robot, a las máquinas y

herramientas computarizada s, a los sistemas flexibles de producción. Para

el diseño y control de la producción se desarrolla ron programas de

computación para el dibujo (CAD), para asistir el diseño (CADICAE), para la

manufactura (CAM), para asistir el manejo de proyectos, para asistir la

planeación de requerimientos, para la programación de la producción, para

el control de calidad, etc.

Elementos de un Sistema de Control

Esquema de un Sistema de Control

Definición de controlador

Es aquel instrumento que compara el valor medido con el valor

deseado, en base a esta compa ración calcula un error (diferencia entre

valor medido y deseado), para luego actuar a fin de corregir este error .

Tiene por objetivo elabora r la señal de control que permita que la variable

controlada corresponda a la señal de referencia.

El término controlador en un sistema de control con retroalimentación, a

menudo está asociado con los elementos de la trayectoria directa entre la señal

actuante (error) e y la variable de control u. Pero, algunas veces, incluye el punto

de suma, los elementos de retroalimentación o ambos. Algunos autores utilizan los

términos controlador y compensador como sinónimos. El contexto deberá eliminar

cualquier ambigüedad. Las cinco definiciones siguientes son ejemplos de leyes de

control o algoritmos de control. Contiene interfaces que le permiten maneja r

gran número de entrada s y salidas tanto analógicas como digitales.

Compensación en adelanto

La compensación de adelanto básicamente acelera la respuesta e

incrementa la estabilidad del sistema. La compensación de atraso mejora la

precisión en estado estable del sistema, pero reduce la velocidad de la respuesta.

Si se desea mejorar tanto la respuesta transitoria como la respuesta en estado

estable, debe usarse en forma simultánea un compensador de adelanto y un

compensador de atraso. La compensación de atraso-adelanto combina las

ventajas de las compensaciones de atraso y de adelanto. Dado que el

compensador de atraso-adelanto posee dos polos y dos ceros, Tal compensación

aumenta en dos el orden del sistema, a menos que ocurra una cancelación de

polos y ceros en el sistema compensado.

Compensación de atraso

Un compensador en atraso puede reducir (pero no eliminar) el error de

estado estacionario. Dependiendo del efecto deseado, uno o más compensadores

en adelanto y en atraso puede usarse en varias combinaciones.

Los compensadores en atraso, adelanto y adelanto/atraso se diseñan

normalmente para un sistema representado en la forma función de transferencia.

Tipos de controladores

Los controladores pueden ser de tipo manual, neumático, electrónico;

los controladores electrónicos más usados son : computadoras con tarjetas

de adquisición de da tos, PLC (controladores lógicos programables),

microcontroladores (PIC).

El tipo de controlador más común es el PLC, el cual es un equipo

electrónico basado en microprocesadores, ha ce uso de memorias

programables y regrabables (RAM), en donde se alma cenan instrucciones a

manera de algoritmos que van a permitir seguir una lógica de control.

Sistemas de control son los modos con los que cuenta un controlador para

efectuar la acción de control estos son:

a) Dos posiciones

b) Dos posiciones con zona diferencial

c) Proporcional

d) Proporcional con reajuste automático

e) Proporcional con reajuste automático y acción derivativa

Existen tantos tipos de controladores como tipos de periféricos, y es común

encontrar más de un controlador posible para el mismo dispositivo, cada uno

ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades. Por ejemplo, aparte de los oficiales

(normalmente disponibles en la página web del fabricante), se pueden encontrar

también los proporcionados por el sistema operativo, o también versiones no

oficiales hechas por terceros.

El controlador o regulador constituye el elemento fundamental en un

sistema de control, pues determina el comportamiento del bucle, ya que

condiciona la acción del elemento actuador en función del error obtenido. La forma

en que el regulador genera la señal de control se denomina acción de control.

Algunas de estas acciones se conocen como acciones básicas de control,

mientras que otras se pueden presentar como combinaciones de las acciones

básicas.

Controlador de acción Proporcional (P)

En este regulador la señal de accionamiento es proporcional a la señal de

error del sistema. Si la señal de error es grande, el valor de la variable regulada es

grande y si la señal de error del sistema es pequeña, el valor de la variable

regulada es pequeño. Es el más simple de todos los tipos de control y consiste

simplemente en amplificar la señal de error antes de aplicarla a la planta o

proceso. La función de transferencia de este tipo de control se reduce a una

variable real, denominada Kp que determinará el nivel de amplificación del

elemento de control.

Llamando y (t) a la señal de salida (salida del regulador) y e(t) a la señal de

error (entrada al regulador), en un control proporcional tendremos:

y(t)= Kp e(t), y pasando al dominio de Laplace, tendremos Y(S)= Kp E(S)

La función de transferencia del bloque controlador (no la total del sistema), será:

Y(S)= K p E(S)

Donde Y(S) es la salida del regulador o controlador, E(S) la señal de error y Kp la

ganancia del bloque de control.

Teóricamente, en este tipo de controlador, si la señal de error es cero, la salida del

controlador también será cero. La repuesta, en teoría es instantánea, con lo cual el

tiempo no interviene en el control. Sin embargo, en la práctica, esto no es así, de

forma que, si la variación de la señal de entrada es muy rápida, el controlador no

puede seguir dicha variación y seguirá una trayectoria exponencial hasta alcanzar

la salida deseada.

Controlador de acción Integral (I)

En un controlador integral, la señal de salida del mismo varia en función de

la desviación y del tiempo en que se mantiene la misma, o dicho de otra manera,

el valor de la acción de control es proporcional a la integral de la señal de error.

Esto implica que mientras que en la señal proporcional no influía el tiempo, sino

que la salida únicamente variaba en función de las modificaciones de la señal de

error, en este tipo de control la acción varía según la desviación de la salida y el

tiempo durante el que esta desviación se mantiene.

La salida de este regulador es:

Y(t)= K i∫e( t) dt

Y(t) = Salida integral.

e(t) = Error (diferencia entre medición y PC). PC (punto de consigna)

Analizando el sistema en el dominio de Laplace y teniendo en cuenta que la

transformada de la función integral es 1 E(S)

Controlador de acción proporcional y derivativa (PD)

En este tipo de controladores, debemos tener en cuenta que la derivada de

una constante es cero y, por tanto, en estos casos, el control derivativo no ejerce

ningún efecto, siendo únicamente útil en los casos en los que la señal de error

varía en el tiempo de forma continua.

Por tanto, el análisis de este controlador ante una señal de error de tipo escalón

no tiene sentido y, por ello, se ha representado la salida del controlador en función

de una señal de entrada en forma de rampa unitaria.

Como se observa en la figura anterior la respuesta del controlador se

anticipa a la propia señal de error, de ahí que al tiempo Td se le denomine tiempo

de anticipación o adelanto. Este tipo de controlador se utiliza en sistemas que

deben actuar muy rápidamente, puesto que la salida está en continuo cambio.

Controlador de acción PID

Aprovecha las características de los tres reguladores anteriores, de forma,

que si la señal de error varía lentamente en el tiempo, predomina la acción

proporcional e integral y, si la señal de error varía rápidamente, predomina la

acción derivativa. Tiene la ventaja de tener una respuesta más rápida y una

inmediata compensación de la señal de error en el caso de cambios o

perturbaciones. Tiene como desventaja que el bucle de regulación es más

propenso a oscilar y los ajustes son más difíciles de realizar.

Como ejemplo de un sistema de control PID, podemos poner la conducción

de un automóvil. Cuando el cerebro da una orden de cambio de dirección, en una

maniobra normal, la acción de control predominante del sistema es la

proporcional, que aproximará la dirección al punto deseado de forma más o menos

precisa. Una vez que la dirección esté cerca del punto deseado, comenzará la

acción integral que eliminará el posible error producido por el control proporcional,

hasta posicionar el volante en el punto preciso. Si la maniobra es lenta, la acción

derivativa no tendrá apenas efecto. Si la maniobra requiere mayor velocidad de

actuación, la acción de control derivativo adquirirá mayor importancia, aumentando

la velocidad de respuesta inicial del sistema y posteriormente actuará la acción

proporcional y finalmente la integral. En el caso de una maniobra muy brusca, el

control derivativo tomará máxima relevancia, quedando casi sin efecto la acción

proporcional e integral, lo que provocará muy poca precisión en la maniobra.

Conclusión

Los controles automáticos tienen una intervención cada vez más importante

en la vida diaria, desde los simples controles que hacen funcionar un tostador

automático hasta los complicados sistemas de control necesarios en vehículos

espaciales, en guiado de proyectiles, sistemas de pilotajes de aviones, etc.

Además el control automático se ha convertido en parte importante e integral de

los procesos de manufactura e industriales modernos; en otras palabras, el

control automático resulta esencial en operaciones industriales como el control de

presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las industrias de procesos,

maquinado manejo y armado de piezas mecánicas en las industrias de

fabricación, entre muchas otras.

En la actualidad en las modernas fábricas e instalaciones industriales, se

hace cada día más necesario disponer de sistemas de control o de mando, que

permitan mejorar y optimizar una gran cantidad de procesos, en donde la sola

presencia del hombre es insuficiente para gobernarlos. La industria espacial y de

la aviación, petroquímica, papelera, textil, del cemento, etc. son algunos ejemplos

de lugares en donde se necesitan sistemas de control, cuya complejidad ha traído

como consecuencia el desarrollo de técnicas dirigidas a su proyecto y

construcción.

El control automático ha jugado un papel vital en el avance de la ingeniería

y la ciencia. Como los avances en la teoría y práctica del control automático

brindan los medios para lograr el funcionamiento óptimo de sistemas dinámicos,

mejorar la calidad y abaratar los costos de producción, liberar de la complejidad de

muchas rutinas de tareas manuales respectivas, etc; la mayoría de los ingenieros

tienen contacto con los sistemas de control, aún cuando únicamente los usen, sin

profundizar en su teoría.

Sintetizando se puede afirmar que los sistemas de control son sistemas

dinámicos, y un conocimiento de la teoría de control proporcionará una base para

entender el comportamiento de tales sistemas, por ejemplo, muchos conceptos de

la teoría de control pueden usarse en la solución de problemas de vibración. En

este sentido, la teoría de control automático no es sino una pequeña parte de una

teoría más general que estudia el comportamiento de todos los sistemas

dinámicos.