REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN MATURÍN

CONTROLADORES

Autor:Ariza Oscar, C.I: 26.117.819

Maturín, Febrero del 2017.

Introducción

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 lograr 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.

Para poder cumplir con esta modernización es necesaria la implementación de los

sistemas de automatización industrial conformadas principalmente por los

controladores, mayormente controladores lógicos programables cumpliendo con la

llamada lógica de contactores.

1. Esquema de un sistema de control

Un sistema de control es un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados deseados. Por lo general, se usan sistemas de control industrial en procesos de producción industriales para controlar equipos o máquinas.

Los elementos de un sistema de control son los siguientes:

Teniendo como referencia los elementos que se deben utilizar en un sistema de control, un esquema generalizado estaría conformado de la siguiente manera:

2. Definición de Controlador

La utilización de controladores de automatización programables es una tecnología industrial orientada al control automatizado, al diseño de prototipos y a la medición. El PAC se refiere al conjunto formado por un controlador (una CPU típicamente), módulos de entradas y salidas, y uno o múltiples buses de datos que lo interconectan todo.

El 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.

3. Compensación en adelanto

El compensador de adelanto de fase persigue el aumento del margen de fase mediante la superposición de la curva de fase del diagrama de bode sobre el diagrama de bode del sistema a compensar. El diagrama de bode del compensador se sitúa de manera que el valor máximo de adelanto de fase, se encuentre donde se espera tener la frecuencia de cruce de ganancia.

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.

4. Compensación en atraso

El compensador de retardo igualmente persigue el aumento del margen de fase pero mediante otra estrategia. El efecto primero del compensador es disminuir la ganancia del sistema compensado para frecuencias iguales o superiores a las frecuencias características del sistema, con lo que supuestamente debería trasladar la frecuencia de cruce de ganancia hacia valores.

Un compensador en atraso puede reducir el error de estado estacionario. Dependiendo del efecto deseado, uno o más compensadores en adelanto y en atraso puede usarse en varias combinaciones.

5. Tipos de Controladores

Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de control, como:

1. De dos posiciones o de encendido y apagado (on/of)2. Proporcionales3. Integrales4. Proporcionales-integrales5. Proporcionales-derivativos6. Proporcionales-integrales-derivativos

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.

6 Modelo Matemático que define a cada uno

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) dtY(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.

ConclusiónLos 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, aun 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.