Instituto Tecnológico Superior De Coatzacoalcos Maestro: Ing. Alejandro Ramirez Torres Materia: Instrumentación Tema: Unidad 3: Actuadores Actuadores Unidad 4: Aplicaciones de los Sistemas de Lazo Abierto y Cerrado Alumno: Christian Ramírez Vargas Carrera: Ingeniería Eléctrica Grado: 7° Semestre Grupo: A
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Lugar: Coatzacoalcos, Veracruz Fecha De Entrega: 6 de Noviembre Del 2013
Tabla de contenido Unidad 3: Actuadores ............................................................ .................................................................................................................... ........................................................ 3 3.4. Tipos de Válvulas: ................................................................... ............................................................................................................... ............................................ 3 3.5. Otros Tipos de Actuadores ...................................................................................... ............................................................................................... ......... 14 3.6. Criterios de Selección de Actuadores........................................................... ............................................................................... .................... 16 Unidad 4: Aplicaciones de Controladores de Sistemas de Lazo Abierto y Lazo Cerrado. ........... 17 4.1. Aplicaciones de sistemas del Lazo Abierto y Lazo Cerrado. ............................................. 17 4.2.1. ON/OFF. ...................................................................................... ..................................................................................................................... ............................... 19 4.2.2. Proporcional. ............................................................................................................. ............................................................................................................. 20 4.2.3. Proporcional + Integral. .............................................................. ............................................................................................. ............................... 22 4.2.4. Proporcional + Integral + Derivativo. ........................................................................ ........................................................................ 23 4.3. Criterios para la selección de un controlador .................................................................. .................................................................. 24 4.4. Sincronización de controladores .................................................................. ...................................................................................... .................... 25
Unidad 3: Actuadores 3.4. Tipos de Válvulas : Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta más de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia. La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo.
Válvula de control. La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.
Partes de la válvula de control. Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo.
Actuador : el actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se muestra en la figura (1-a.). Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los actuadores se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera. Cuerpo de la válvula: este esta provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido por medio de un vástago al actuador.
Categorías de válvulas. Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo (alivio). Estas categorías básicas se describen a continuación. Sería imposible mencionar todas las características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien se presenta una descripción general de cada tipo en un formato general, se dan recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil para el lector.
Válvulas de compuerta . La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento (fig. 1-1).
Figura 1-1 Válvula de compuerta. Aplicaciones Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos. Ventajas
Alta capacidad. Cierre hermético. Bajo costo. Diseño y funcionamiento sencillos. Poca resistencia a la circulación.
Desventajas
Control deficiente de la circulación. Se requiere mucha fuerza para accionarla. Produce cavitación con baja caída de presión. Debe estar cubierta o cerrada por completo. La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.
Válvulas de macho La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90° (fig. 1-2).
Figura 1-2 Válvula de macho. Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre total. Para accionamiento frecuente. Para baja caída de presión a través de la válvula. Para resistencia mínima a la circulación. Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.
Aplicaciones
Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos. Ventajas Alta capacidad. Bajo costo. Cierre hermético. Funcionamiento rápido.
Desventajas
Requiere alta torsión (par) para accionarla. Desgaste del asiento. Cavitación con baja caída de presión.
Variaciones
Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples. Materiales Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, Monel, níquel, Hastelloy, camisa de plástico.
Válvulas de globo Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería (fig. 1-3).
Figura 1-3 Válvula de globo. Recomendada para
Estrangulación o regulación de circulación. Para accionamiento frecuente. Para corte positivo de gases o aire. Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación.
Aplicaciones Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas. Ventajas
Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento. Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete. Control preciso de la circulación. Disponible con orificios múltiples.
Desventajas
Gran caída de presión. Costo relativo elevado.
Variaciones Normal (estándar), en "Y", en ángulo, de tres vías. Materiales Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos.
Válvulas de bola Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto (fig. 1-4).
Figura 1-4 Válvula de bola. Recomendada para
Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. Cuando se requiere apertura rápida. Para temperaturas moderadas. Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.
Aplicaciones Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. Ventajas
Bajo costo. Alta capacidad. Corte bidireccional. Circulación en línea recta. Pocas fugas. Se limpia por si sola. Poco mantenimiento. No requiere lubricación. Tamaño compacto. Cierre hermético con baja torsión (par).
Desventajas
Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. Propensa a la cavitación.
Válvulas de mariposa La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación (fig. 1-5).
Figura 1-5 Válvula de mariposa. Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre total. Servicio con estrangulación. Para accionamiento frecuente. Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos. Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería. Para baja ciada de presión a través de la válvula.
Aplicaciones Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión. Ventajas
Ligera de peso, compacta, bajo costo. Requiere poco mantenimiento. Numero mínimo de piezas móviles. No tiene bolas o cavidades. Alta capacidad. Circulación en línea recta. Se limpia por si sola.
Desventajas
Alta torsión (par) para accionarla. Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación.
Válvulas de diafragma Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación (fig. 1-6).
Figura 1-6 Válvula de diafragma. Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre total. Para servicio de estrangulación. Para servicio con bajas presiones de operación.
Aplicaciones Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos. Ventajas
Bajo costo. No tienen empaquetaduras. No hay posibilidad de fugas por el vástago. Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan.
Desventajas
Diafragma susceptible de desgaste. Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.
Variaciones
Tipo con vertedero y tipo en línea recta. Materiales Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno.
Válvulas de apriete La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o más elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre si para cortar la circulación (fig. 1-7).
Figura 1-7 Válvula de apriete. Recomendada para
Servicio de apertura y cierre. Servicio de estrangulación. Para temperaturas moderadas. Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula. Para servicios que requieren poco mantenimiento.
Aplicaciones Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos. Ventajas
Bajo costo. Poco mantenimiento. No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan. Diseño sencillo. No corrosiva y resistente a la abrasión.
Desventajas
Aplicación limitada para vació. Difícil de determinar el tamaño.
Válvulas de retención de elevación Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa.
Figura 1-8 Válvula de retensión (tipo de elevación). Recomendada para
Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería. Para uso con válvulas de globo y angulares. Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema.
Aplicaciones Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación. Ventajas
Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. Acción rápida.
Variaciones Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical. Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor. Materiales Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento
La presión de la tubería debe estar debajo del asiento. La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales. La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente, desde debajo del asiento. Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento.
Válvula de retención de mariposa Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido abisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco solo se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo. Recomendada para
Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería. Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación. Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete.
Aplicaciones Servicio para líquidos o gases. Ventajas
El diseño del cuerpo se presta para la instalación de diversos tipos de camisas de asiento. Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión. Funcionamiento rápido. La sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes. Se puede instalar virtualmente en cualquier posición.
Válvulas de desahogo (alivio) Una válvula de desahogo (fig. 1-9) es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla. La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles. El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas.
Figura 1-9 Válvula de desahogo (alivio). Recomendada para Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones. Aplicaciones Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores. Ventajas
Bajo costo. No se requiere potencia auxiliar para la operación.
Variaciones
Seguridad, desahogo de seguridad. Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo.
Materiales Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy, Monel. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del Código ASME para recipientes de presión sin fuego. Se debe instalar en lugares de fácil acceso para inspección y mantenimiento.
3.5. Otros Tipos de Actuadores Actuadores electrónicos Los actuadores electrónicos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores ca sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento. Actuadores hidráulicos Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos: Cilindro hidráulico Motor hidráulico Motor hidráulico de oscilación Cilindro hidráulico De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación en el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de la corriente. Es decir, si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser extendido fácilmente. Cilindro de presión dinámica Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro. Cilindro de efecto simple La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del cilindro. Cilindro de efecto doble La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón Cilindro telescópico La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con la longitud del cilindro Motor hidráulico En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: el primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranajes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. A continuación se muestra la clasificación de este tipo de motores
Motor de engranaje Tipo rotatorio motor de veleta Motor de hélice Motor hidráulico motor de leva excéntrica Pistón axial Tipo oscilante motor con eje inclinado
Motor de engranaje. El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad. Motor con pistón eje inclinado El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje. Motor oscilante con pistón axial Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.
Actuadores neumáticos A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad. En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención. De efecto simple Cilindro neumático Actuador neumático de efecto doble Con engranaje Motor neumático con veleta Con pistón Con una veleta a la vez Multiveleta Motor rotatorio con pistón De ranura vertical De émbolo Fuelles, diafragma y músculo artificial Cilindro de simple efecto Cremallera Transforman un movimiento lineal en un movimiento rotacional y no superan los 360°
Rotativos de paletas Son elementos motrices destinados a proporcionar un giro limitado en un eje de salida. La presión del aire actúa directamente sobre una o dos palas imprimiendo un movimiento de giro. Estos no superan los 270° y los de paleta doble no superan los 90°.
3.6. Criterios de Selección de Actuadores Rango Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ejemplo: Un manómetro de intervalo de medida 0-10 bar, un transmisor de presión electrónico de 0-25 bar con señal de salida 4-20 mA ó un instrumento de temperatura de 100-300 °C. Alcance Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manómetro, de 25 bar para el transmisor de presión y de 200 ° C para el instrumento de temperatura. Error El error de la medida es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso. Es decir: Error = Valor leído en el instrumento - Valor ideal de la variable medida El error absoluto es: Error absoluto — Valor leído ~ Valor verdadero.
Exactitud La exactitud, es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero. Precisión La precisión es la cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Un instrumento puede tener una pobre exactitud, pero una gran precisión. Por ejemplo, un manómetro de intervalo de medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero considerable marcando 2 bar sin presión en el proceso y diversas lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del tiempo y en las mismas condiciones de servicio, para una presión del proceso de 5 bar. Sensibilidad La sensibilidad es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3 mA., la sensibilidad es 0,5 mA c.c/bar.
Histéresis La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida.
Unidad 4: Aplicaciones de Controladores de Sistemas de Lazo Abierto y Lazo Cerrado. 4.1. Aplicaciones de sistemas del Lazo Abierto y Lazo Cerrado. Lazo abierto Generalmente son manuales, pues requieren que una persona ejecute una acción que indique al sistema qué hacer. La estabilidad del sistema no es un problema importante en este tipo de sistemas y es más fácil de lograr. Son aplicables cuando se conoce con anticipación las entradas y no existen perturbaciones significativas. Se usan componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado.
En la figura se muestra un sistema a lazo abierto. Para mantener constante el nivel del agua en el tanque es necesario que una persona accione la válvula cuando el caudal de salida cambie.
Lazo cerrado Son automáticos y operan sin interrupción, ni participación externa.
En la figura se muestra un sistema a lazo cerrado en donde la válvula se abre o cierra automáticamente, de acuerdo con las variaciones de nivel, para mantenerlo constante Elementos constituyentes de un sistema a de control a lazo cerrado
La figura muestra los elementos de un sistema a lazo cerrado. Cada bloque representa un elemento del sistema y ejecuta una función en la operación de control. Las líneas entre los bloques muestran las señales de entrada y salida de cada elemento, y las flechas, la secuencia de acciones en el orden en que ocurren. Variable controlada: se refiere a la variable cuyo valor debe mantenerse igual al de referencia, durante el proceso Variable medida: es el valor de la variable que se desea controlar. Para hacerlo,es necesario conocer su valor en el proceso y compararlo con el valor de referencia. Instrumentos de medición: es el conjunto de sensores que mide la variable que deseamos controlar y produce señal/es de salida que proporcionales al valor de esta variable. Señal de retroalimentación: es la salida del instrumento de medida Valor de referencia: (set point.). Es el valor deseado de la variable controlada Comparador: compara el valor de referencia con el valor medido de la variable controlada Señal de error: es la salida del detector comparador. Provee el valor de la diferencia entre el valor deseado y el medido Actuador: es un aparato o instrumento que ejecuta las acciones que conducen a la variable controlada a adquirir el valor de referencia Variable manipulada: es la variable que se manipula para cambiar las condiciones de la variable controlada. En un horno, la válvula del gas se abre o cierra para cambiar el valor del flujo de gas que alimenta al quemador. Si el flujo aumenta, lo hace también la temperatura, que es la variable controlada. Perturbación: es cualquier factor responsable de cambiar el valor de la variable controlada y que está fuera del control del sistema Controlador: recibe la señal de error y produce los ajustes necesarios para minimizarla. Para nosotros, usualmente un microcontrolador o una pc corriendo un programa o algoritmo que determine las acciones a tomar
Lazo de control El control a lazo cerrado o control realimentado se refiere a una operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y la entrada de referencia de manera continua y automática, tratando de mantener les diferencia por debajo de un margen de error previamente determinado. Para ello es necesario implementar en el controlador un algoritmo, es decir una serie de pasos y cálculos, que determine las acciones a tomar. Por ejemplo, si estamos controlando la temperatura de un proceso químico y se está enfriando ¿cuánto debe abrirse la válvula del gas para mantener esa temperatura sin recalentarlo? El algoritmo más comúnmente utilizado para el control es el conocido como pid, por las iniciales, en inglés o español, de los tres modos diferentes de control que integra en uno solo: proporcional, integral y derivativo. El modo proporcional determina la reacción al valor de error existente en el instante actual. El modo integral considera la reacción basado en la acumulación de los errores recientes en el tiempo y el modo derivativo lo hace según la tasa de cambio (velocidad de variación) de esos errores recientes.
La sumatoria de los tres -ponderada cada una por una constante kp, ki, kd, respectivamentedetermina la acción correctiva final que se tomará sobre la variable controlada. Ajustando las constantes k en el algoritmo se puede conseguir un control muy preciso sobre el el grado de respuesta al error, así como la prevención de las sobrecargas y de la oscilaciones bruscas del sistema.
4.2.1. ON/OFF. Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado (ON/OFF). En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendidos y apagados. El control de dos posiciones o de encendido y apagado es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido en Sistemas de control tanto industriales como domésticos. Es común que los controladores de dos posiciones sean dispositivos eléctricos, en cuyo caso se usa extensamente una válvula eléctrica operada por solenoides. Los controladores neumáticos proporcionales con ganancias muy altas funcionan como controladores de dos posiciones y, en ocasiones, se denominan controladores neumáticos de dos posiciones se muestra un sistema de control del líquido que es controlado por una acción de control de dos posiciones.
4.2.2. Proporcional. Acción de control proporcional para un controlador con acción de control proporcional, la relación entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t) es: UT=KPET o bien, en cantidades transformadas por el método de Laplace USES=KP en donde Kp se considera la ganancia proporcional cualquiera que sea el mecanismo real y la forma de la potencia de operación, el controlador proporcional es, en esencia, un amplificador con una ganancia ajustable. El controlador proporcional es el tipo más simple de controlador, con excepción del controlador de dos estados (del cual se hace mención en la primera parte del texto) la ecuaci6n con que se describe su funcionamiento es la siguiente:
MT=M+KCRT-CT O MT=M+KCET Dónde: MT = salida del controlador, PSIG o MA RT = punto de control, PSIG o MA CR = variable que se controla, PSIG o MA; ésta es la señal que llega del transmisor. E(r) = señal de error, PSI o MA; ésta es la diferencia entre el punto de control y la variable que se controla. Kc = ganancia del controlador, PSI/PSI o MA/MA M = valor base, psig o ma. El significado de este valor es la salida del controlador cuando el error es cero; generalmente se tija durante la calibración del controlador, en el medio de la escala, 9 psig o 12 ma. Es interesante notar que es para un controlador de acción inversa; si la variable que se controla, c(f), se incrementa en un valor superior al punto de control, r(t), el error se vuelve negativo y, como se ve en la ecuación, la salida del controlador, m(t), decrece.
La manera común con que se designa matemáticamente un controlador de acción directa es haciendo negativa la ganancia del controlador, kc; sin embargo, se debe recordar que en los controladores industriales no hay ganancias negativas, sino únicamente positivas, lo cual se resuelve con el selector inverso/directo. La kc negativa se utiliza cuando se hace el análisis matemático de un sistema de control en el que se requiere un controlador de acción directa. Se ve que la salida del controlador es proporcional al error entre el punto de control y la variable que se controla; la proporcionalidad la da la ganancia del controlador, k,; con esta ganancia o sensibilidad del controlador se determina cuánto se modifica la salida del controlador con un cierto cambio de error. Esto se ilustra gráficamente
Efecto de la ganancia del controlador sobre la salida del controlador. (a) controlador de acción directa. (b) controlador de acción inversa. Los controladores que son únicamente proporcionales tienen la ventaja de que solo cuentan con un parámetro de ajuste, kc sin embargo, adolecen de una gran desventaja, operan con una desviación, o “error de estado estacionario” en la variable que se controla. A fin de apreciar dicha desviación gráficamente, considérese el circuito de control de nivel que se muestra en la figura 2.2; supóngase que las condiciones de operación de diseño son qi = qo = 150 gpm y 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, qi, la respuesta del sistema con un controlador proporcional es como se ve. 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. 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, tanto 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.
4.2.3. Proporcional + Integral. La mayoría de los procesos no se pueden controlar con una desviación, es decir, se deben controlar en el punto de control, y en estos casos se debe añadir inteligencia al controlador proporcional, para eliminar la desviación. Esta nueva inteligencia o nuevo modo de control es la acción integral o de reajuste y en consecuencia, el controlador se convierte en un controlador proporcional-integral (pi). La siguiente es su ecuación descriptiva: MT=M+KCRT-CT+KCΤIRT-CTDT MT=M+KCET+KCΤIETDT Donde Τi = tiempo de integración o reajuste minutos/repetición. Por lo tanto, el controlador pi tiene dos parámetros, kc, y τi , que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. Para entender el significado físico del tiempo de reajuste, τi , considére se el ejemplo hipotético que se muestra, donde T, es el tiempo que toma al controlador repetir la acción proporcional y, en consecuencia, las unidades son minutos/repetición. Tanto menor es el valor de τi , cuanto más pronunciada es la curva de respuesta, lo cual significa que la respuesta del controlador se hace más rápida.
Respuesta del controlador proporcional integral (pi) (acción directa) a un cambio escalón en el error. Otra manera de explicar esto es mediante la observación de la ecuación , tanto menor es el valor de ti, cuanto mayor es el término delante de la integral, kcτi y, en consecuencia, se le da mayor peso a la acción integral o de reajuste. De la ecuación (3.1) también se nota que, mientras está presente el término de error, el controlador se mantiene cambiando su respuesta y, por lo tanto, integrando el error, para eliminarlo; recuérdese que integración también quiere decir sumatoria. La función de transferencia del controlador es: uses=kp1+1tis 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 en el 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. Muestra un diagrama de bloques de un controlador proporcional más integral. Si la señal de error e(t) es una función escalón unitario, como se aprecia en la figura 3.1(b), la salida del controlador u(t) se convierte en lo que se muestra.
4.2.4. Proporcional + Integral + Derivativo.
Algunas veces se añade otro modo de control al controlador pi, este nuevo modo de control es la acción derivativa, que también se conoce como rapidez de derivación o preactuación; tiene como propósito anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la rapidez para el cambio del error, su derivada. La ecuación descriptiva es la siguiente: MT=M+KCET+KCΤIETDT+KCΤDD ETDT Donde Τd= rapidez de variación en minutos por lo tanto, el controlador pid se tiene tres parámetros, c o pb, τ i o τir y τd que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. Nótese que solo existe un parámetro para ajuste de derivación, τd , el cual tiene las mismas unidades, minutos, para todos los fabricantes. Como se acaba de mencionar, con la acción derivativa se da al controlador la capacidad de anticipar hacia dónde se dirige el proceso, es decir, “ver hacia adelante”, mediante el cálculo de la derivada del error. La cantidad de “anticipación” se decide mediante el valor del parámetro de ajuste, τd los controladores pid se utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. Ejemplos típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración. Los procesos en que las constantes de tiempo son cortas (capacitancia pequeña) son rápidos y susceptibles al ruido del proceso, son característicos de este tipo de proceso los circuitos de control de flujo y los circuitos para controlar la presión en corrientes de líquidos. Considérese el registro de flujo que se ilustra en la aplicación del modo derivativo solo da como resultado la amplificación del ruido, porque la derivada del ruido, que cambia rápidamente, es un valor grande. Los procesos donde la constante de tiempo es larga (capacitancia grande) son generalmente amortiguados y, en consecuencia, menos susceptibles al ruido; sin embargo, se debe estar alerta, ya que se puede tener un proceso con constante de tiempo larga, por ejemplo, un circuito de temperatura, en el que el transmisor sea ruidoso, en cuyo caso se’ debe reparar el transmisor antes de utilizar el controlador pid.
4.3. Criterios para la selección de un controlador Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que reducirá la desviación a cero o a un valor pequeño. La manera en la cual el controlador automático produce la señal de control se denomina acción de control.
Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de control, como: 1. De dos posiciones o de encendido y apagado (ON/OFF) 2. Proporcionales 3. Integrales 4. Proporcionales-integrales 5. Proporcionales-derivativos 6. Proporcionales-integrales-derivativos Casi todos los controladores industriales emplean como fuente de energía la electricidad o un fluido presurizado, tal como el aceite o el aire. Los controladores también pueden clasificarse, de acuerdo con el tipo de energía que utilizan en su operación, como neumáticos, hidráulicos o 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.
Los reguladores son de mucha utilidad, en la regulación de procesos industriales, de tal modo que la gran mayoría de reguladores utilizados en la industria, son de este tipo, ya que por lo general, se busca simplicidad en las estrategias de control. Se suelen utilizar en plantas industriales, en el control de niveles, presiones, flujos, temperaturas, movimientos o posiciones, velocidades etc. Los procesos anteriormente mencionados, poseen ciertas características dinámicas, muy importantes, como por ejemplo el tiempo muerto, constantes de tiempo, tiempo de establecimiento o ganancias de proceso. Las cuales definen, la clasificación del proceso, en procesos de primer orden, de segundo orden o de orden superior. En el presente caso, el estudio de respuesta, en lazos de control con reguladores pid, se limitará hasta procesos de segundo orden, ya que es hasta los cuales se alcanza una regulación adecuada o estable, y por lo tanto, es la situación que se encuentra en la práctica, debiéndose utilizar para procesos de orden superior, otro tipo de estrategias de control. Por tal razón, se propondrá un modelo equivalente para estos procesos, con el fin de realizar análisis de respuesta o modelaciones, ya que las características dinámicas de estos procesos industriales son iguales cualitativamente, aunque cambian cuantitativamente dependiendo de la variable o proceso a ser regulado,
4.4. Sincronización de controladores . El diseño de controladores, se realiza en función del conocimiento del proceso, es decir, a partir del modelo del proceso, del esquema de control y de las restricciones que se le imponen al mismo. A diferencia de ello, la sintonización de los controladores se realiza sin que se disponga de dicha información y resulta sumamente útil en los casos en que la obtención del modelo del proceso es muy engorrosa. Los métodos de diseño utilizan restricciones particulares impuestas a la respuesta deseada que permiten determinar con precisión los parámetros del controlador, en tanto que en el caso de la sincronización de un controlador, dichos parámetros se van ajustando de forma tal que se obtenga una respuesta temporal aceptable. Los métodos de sintonización están basados en estudios experimentales de la respuesta al escalón de diferentes tipos de sistemas, razón por la cual los parámetros del controlador que se determinan utilizando estas metodologías podrían dar como resultado una respuesta medianamente indeseable. Es por ello que dichos parámetros se utilizan como punto de partida para la definitiva sintonización de los mismos, lo cual se realizará ajustándolos de forma tal que se logre obtener la respuesta deseada. En esta sección se mostraran dos reglas de sintonización de controladores desarrolladas por Ziegler y Nichols, las cuales describen altamente el problema dejar los parámetros de un controlador. Dichas reglas podrían no ser la mejor alternativa pero su sencillez y disponibilidad las mantienen como una fuerte opción aún hoy en día.
