UNIVERSIDAD “FERMÍN TORO” VICERRECTORADO ACADÉMICO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERIA EN COMPUTACIÓN
ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL
Alumnos: Fuentes, Juan. C.I.: 20.928.478 Giménez, Carlos. C.I.: 14.978.520 Medina, Emberth. C.I.: 16.324.888 Cátedra: 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 ( )
( )
( )
( )
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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 ( )
( )
O bien, ( ) ( )
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:
∫ ( )
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
( )
( )
∫ ( )
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Es decir que es la suma de la acción de control proporcional y la integral, función transferencia es ( ) ( )
(
)
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 derivativa
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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.
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Acción de Control Proporcional-Integral-Derivativa
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
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Fuentes Electrónicas
www.elprisma.com
www.wikipedia.org
