TEMAS SELECTOS DE DISEÑO UNIDAD I SERVOMECANISMOS ING. CARLOS FRANCISCO HERNANDEZ PASCUAL
Tipos de Control Los sistemas de control pueden clasificarse de formas diversas: De lazo abierto De lazo cerrado Analógicos Digitales Reguladores De seguimiento
Sistemas de Lazo Abierto Son sistemas de control en los cuales no existe retroalimentación, como se muestra en la figura.
Diagrama de bloques de un sistema de lazo abierto Cambio de temperatura o presión.
Nivel de liquido deseado
Válvula manual
Tuberías y tanque
Nivel del liquido real
Los sistemas de lazo abierto se caracterizan por la incapacidad de comparar el valor real de la variable controlada con el valor deseado y emprender una acción con base en esta comparación.
Sistemas de Lazo Cerrado Son sistemas de control los cuales cuentan con retroalimentación, se muestra en la figura.
Diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado Flotador
Nivel de líquido deseado
Cambio de temperatura o Válvula presión.
Retroalimentación
Tuberías y tanque
Nivel del liquido real
Los sistemas de lazo cerrado están caracterizados por la capacidad de comparar el valor real de la variable controlada con el valor deseado y emprender una acción de forma automática con base en tal comparación.
DIAGRAMA GENERAL DE BLOQUES DE LAZO CERRADO
Las ideas incorporadas en este diagrama de bloques de sistema general son las siguientes:
La variable de proceso que se controla (temperatura, presión, caudal, viscosidad, posición mecánica, velocidad, etc.) El comparador que puede ser eléctrico, mecánico o neumático y realiza una comparación entre el valor medio de la variable y el valor deseado. Además genera una señal de error. error= valor medio – valor deseado
El controlador que también puede ser eléctrico, mecánico o neumático, recibe la señal de error y genera una señal de salida. El dispositivo de corrección final recibe la señal de salida del controlador, puede ser necesaria una etapa de amplificación si la señal de salida del controlador no es la suficientemente fuerte para operar el dispositivo de corrección final. El dispositivo de corrección final con frecuencia es un motor eléctrico, una válvula solenoide o una válvula o amortiguador de acción neumática.
Diagrama de bloques clásico de un sistema de lazo cerrado
Características de un buen sistema de lazo cerrado Reduce la señal de error a cero o prácticamente a cero. La diferencia entre el valor medio y el valor de referencia que permite el sistema (que no se puede corregir) se denomina offset. Es decir un buen sistema presenta un bajo offset. Rápida velocidad de respuesta, es decir, una rápida restauración del desfase entre el valor medio y el valor de referencia.
Características de un buen sistema de lazo cerrado Estabilidad, se refiere a reducir las oscilaciones que pueden ocurrir cuando el sistema sobrerreacciona ante una señal de error ocasionando de este modo un error mayor en sentido contrario. Por lo general estas oscilaciones se extinguen y el sistema se estabiliza, pero puede no ocurrir así y dañar seriamente al sistema.
Otros ejemplos de sistemas de control de lazo abierto y lazo cerrado
Control analógico y control digital En un sistema de control las señales se dividen en dos categorías: analógicas y digitales.
Una señal analógica cambia de forma continua y puede tomar cualquier valor dentro de sus límites. Una señal digital cambia de manera de discreta y solamente puede tomar dos valores 1 y 0.
Sistemas reguladores Un sistema regulador es un sistema de control realimentado en el que la señal de referencia no cambia o cambia muy poco.
Su función principal es mantener constante la variable controlada a pesar de las perturbaciones que puedan afectar al sistema. Ejemplos: sistemas de calefacción, sistemas reguladores de presión o de voltaje. Muchos sistemas de control de procesos se utilizan para mantener constantes las condiciones del proceso, por lo que son también sistemas reguladores.
Sistemas de seguimiento Un sistema de seguimiento es un sistema de control retroalimentado en el que la señal de referencia cambia continuamente.
Su función es mantener la variable controlada lo más cercana posible al valor de referencia a medida que éste cambia. Ejemplos: sistemas de radiocontrol, sistemas de control de posición de la antena en los radares, servosistemas utilizados para mantener una posición que siga los cambios de la referencia.
COMO PARTE DE LOS SISTEMAS DE CONTROL CON RETROALIMENTACIÓN SE
ENCUENTRAN LOS:
SERVOMECANISMOS DEFINICION: Son sistemas de control retroalimentado en los que la salida es algún elemento mecánico, sea posición, velocidad o aceleración. Los servomecanismos controlan la posición o el movimiento de alguna parte de un sistema de control.
OTRA DEFINICION: El servomecanismo es un servosistema, o sistema de control, que mantiene una igualdad entre la señal de entrada y la señal de salida, con independencia de las variaciones de la entrada en función del tiempo. La magnitud de salida se expresa generalmente por el movimiento de un mecanismo mecánico, mientras que la variable de entrada puede variar ampliamente siguiendo o no un programa dado.
Muchos servomecanismos pueden considerarse sistemas de seguimiento. Normalmente los servomecanismos forman parte de otro sistema de control. Matemáticamente, no existen diferencias entre un servomecanismo y un sistema de control de procesos en lazo cerrado. Sin embargo, como los dos tipos de sistemas de control han evolucionado de manera independiente, utilizan métodos de diseño y terminología diferente.
Partes de un servomecanismo Son las siguientes: a) Comparador: Recibe la señal de entrada y una medida de la señal de salida, comparando ambas para obtener una orden correctora.
b) Elementos de control: Son los encargados de transformar e incluso amplificar la orden correctora para disponerla en condiciones de actuar sobre el proceso.
c) Sistema controlado: Recibe la orden correctora previamente preparada para ponerse en acción y llevar la señal de salida o variable controlada al valor prescrito. d) Elementos de medida de la señal de salida. Toman la señal de salida, o más generalmente una parte de ella, y la transforman haciendo posible su comparación con la de entrada. Constituyen, por tanto, la retroalimentación del sistema. Cuando las señales de entrada y salida son directamente comparables, el servomecanismo puede carecer de esta parte.
Servomecanismo utilizado en un sistema de control de posición Diagrama esquemático
Servomecanismo utilizado en un sistema de control de posición Diagrama de bloques
Sistema de control de posición hidráulico Diagrama esquemático
Sistema de control de posición hidráulico Diagrama de bloques
Analogía de un servomecanismo Un conductor circula por una carretera conduciendo su coche y transmitiendo a las ruedas mediante sus músculos y los mecanismos de dirección la información (dirección a seguir). Simultáneamente su mente compara los resultados que obtiene (dirección real que sigue el coche) con los que quisiera obtener (dirección ideal). De esta comparación surge una señal correctora que, actuando sobre sus músculos y éstos a su vez sobre el volante, corrige la dirección siempre que no coincida la real con la ideal.
Servomecanismo simple de cremallera y piñon
El apuntador se encuentra conectado a un delgado cordón que se extiende sobre una polea fija, alrededor de una polea móvil, sobre una polea fija y se sujeta al objeto que será posicionado. El objeto descansa sobre un soporte cuyo piñon es accionado por el motor.
Si el apuntador se desplaza hacia la izquierda sobre la escala, la polea móvil es elevada por el cordel ocasionando que el selector del potenciómetro se mueva hacia arriba en la misma proporción.
Cuando el contacto del potenciómetro ya no se encuentra en el centro, el circuito puente está desbalanceado y entregará un voltaje a la entrada del amplificador. La salida del amplificador activa el motor el cual desplaza el objeto a la izquierda.
Cuando el objeto se haya desplazado la misma distancia que el apuntador, la polea móvil regresará a su posición de descanso y el contacto del potenciómetro estará centrado nuevamente. El puente regresará a balance ocasionando un voltaje de entrada cero al amplificador, y el motor se detendrá.*
Para este sistema: •La posición del apuntador representa el punto de ajuste o el valor deseado. •La posición del objeto representa la variable controlada. •El cordón y el arreglo de poleas representan el comparador, con la posición instantánea de la polea como la señal de error. •El circuito puente es el controlador y la señal de salida del puente es el voltaje aplicado al amplificador. •El motor con un arreglo de cremallera y piñon representan el dispositivo de corrección final.
Máquina cortadora de patrones
Un patrón o modelo se ajusta al soporte de montaje como pieza de trabajo sin cortar. El soporte de montaje entonces se desplaza lentamente hacia la izquierda. Cuando se desplaza, la herramienta de corte accionada por un motor cortará un patrón idéntico sobre la pieza de trabajo.
El sensor rígido se mantiene ajustado contra el patrón por medio de un resorte de tensión del lado derecho del pivote. A medida que el sensor se desplaza hacia arriba o hacia abajo, su desplazamiento se transmite a la polea móvil a través del cordón sujetado al extremo derecho del brazo del sensor.
Esta polea móvil se sujeta al selector del potenciómetro de forma que a medida que la polea se desplaza lejos de su posición central, el puente se desbalancea. El puente desbalanceado alimenta al amplificador, el cual acciona el servomotor.
El servomotor ocasiona que el bastidor móvil se desplace hacia arriba o hacia abajo la cantidad adecuada para devolver la polea móvil a su posición centrada. Cuando el bastidor se desplaza, ocasiona que la herramienta de corte rotatoria corte la pieza de trabajo y haciendo un duplicado del patrón original.*
Para este sistema de retroalimentación: •El punto de ajuste es la profundidad del patrón o la posición del sensor.
•La variable controlada es la posición de la herramienta de corte o de forma equivalente la posición del bastidor móvil. •El cordón y el arreglo de poleas representan el comparador. •El circuito puente es el controlador y la señal de salida del puente es el voltaje aplicado al amplificador. •El servomotor corrección final.
representa
el
dispositivo
de
Actividades 1. Realiza el diagrama de bloques de los servomecanismos de cremallera y piñon y de la máquina cortadora de patrones e identifica cada uno de los bloques con sus componentes. 2. Dibuja el diagrama de bloques de un sistema que debe mantener la temperatura adecuada del aceite de un transformador, el sistema emplea ventiladores. 3. Realiza el planteamiento de un sistema para un elevador de tres niveles y el diagrama de bloques.
