SISTEMAS DE CONTROLCONTROL PROPORCIONAL DE TIEMPO PWM DE BAJA VELOCIDAD

ContenidosQu es control?Concepto de seal.Concepto de sistema.Modelado de sistemas.Funcin de transferencia.Tipos de control.Estructura de un sistema de control.Elementos que componen un sistema de control.Sistemas actuales de control.

Qu es control?Controlar un proceso consiste en mantener constantes ciertas variables, prefijadas de antemano. Las variables controladas pueden ser, por ejemplo: Presin, Temperatura, Nivel, Caudal, Humedad, etc. Un sistema de control es el conjunto de elementos, que hace posible que otro sistema, proceso o planta permanezca fiel a un programa establecido.

Ejemplo de sistema de controlTemperatura de nuestro cuerpo; si la temperatura sube por encima de 37C, se suda, refrescando el cuerpo.Si la T tiende a bajar de 37C, el cuerpo, involuntariamente, comienza a temblar, contraccin muscular que calienta nuestro cuerpo, haciendo que se normalice nuestra temperatura. Por tanto, en este caso:Sistema de medida o sensores -> Clulas nerviosas de la pielSeal de consigna -> 37CAccin de control de la temperatura -> Sudar o temblar

Concepto de sealEn los sistemas de control, una magnitud fsica variable se representa generalmente mediante una seal elctrica que vara de manera tal que describe dicha magnitud.Por ejemplo, una seal elctrica ser la variacin de la salida de tensin de un termopar que mide temperatura y la variacin de temperatura la transforma en variacin de tensin. Los dispositivos, circuitos y sistemas electrnicos manipulan seales elctricas.

Tipos de seales elctricasSeal analgica (n infinito de valores) y que tiene una variacin continua en el tiempo.Seal digital (n finito de valores) y que tiene una variacin discreta de valores en el tiempo.Seal digital binaria (dos valores concretos, 1 y 0) la seal elctrica slo puede adoptar dos niveles de tensin.

Ventajas de utilizar seales elctricasResulta muy sencillo procesarlas mediante circuitos electrnicos, que son tanto econmicos como fiables.Pueden transmitirse sin dificultad a largas distancias. Pueden almacenarse para ser posteriormente reproducidas.

Concepto de Sistema:Qu es un sistema?Combinacin de componentes que actan interconectados, para cumplir un determinado objetivo.Cmo se representa un sistema?Como un rectngulo o caja negra y variables que actan sobre el sistema. Las flechas que entran (u, excitaciones o entradas). Las flechas que salen (y, variables producidas por el sistema o salidas).

Modelado de Sistemas Qu es un modelo?Es algo que nos ayuda a entender el funcionamiento de un sistema. Puede ser una placa electrnica (hardware) o un conjunto de relaciones matemticas, en las cuales codificamos el funcionamiento del sistema (es lo que llamamos modelo matemtico) y que eventualmente puede desarrollarse en un programa de ordenador. Modelado Entrada - Salida:Uno de los enfoques de modelado ms tiles para propsitos de control es el Modelado Externo o entrada / salida. Este tipo de modelo describe la relacin estmulo - respuesta del proceso y conduce a la llamada Funcin Transferencia del proceso.

Funcin de Transferencia Funcin de transferencia de un sistema se indica por G(s), y es el cociente entre la transformada de Laplace de la seal de salida y la transformada de Laplace de la seal de entrada

Seales: y: seal de salida r: seal de referencia e: seal de error

v: seal de realimentacinDiagramas de Bloques:Funciones de Transferencia: G: ganancia directa H: ganancia de realimentacin GH: ganancia de lazo F: ganancia de lazo cerrado

Tipos de control, atendiendo al circuito implementado Control manual: El operador aplica las correcciones que cree necesarias.Control automtico: La accin de control se ejerce sin intervencin del operador y su solucin es cableada, es decir, rgida, no se puede modificar.Control programado: Realiza todas las labores del control automtico, pero su solucin es programada. Se puede modificar su proceso de operacin o ley de control.

Tipos de control, atendiendo al circuito implementado

Estructura de un sistema de controlTenemos dos tipos de estructura diferente de lazo de control:Sistemas de control en LAZO ABIERTOAquel en el que ni la salida ni otras variables del sistema tienen efecto sobre el control.NO TIENE REALIMENTACINSistemas de control en LAZO CERRADOEn un sistema de control de lazo cerrado, la salida del sistema y otras variables, afectan el control del sistema. TIENE REALIMENTACIN

Sistemas de control de LAZO ABIERTOCualquier perturbacin desestabiliza el sistema, y el control no tiene capacidad para responder a esta nueva situacin.Ejemplo: el aire acondicionado de un coche.El sistema o la planta no se mide.El control no tiene informacin de cmo esta la salida (Planta).

Sistemas de control de LAZO CERRADO

Una variacin en la salida o en otra variable, se mide, y el controlador, modifica la seal de control, para que se estabilice, el sistema, ante la nueva situacin.Ejemplo: el climatizador de un coche.El sistema o la planta se mide en todo momento.El control tiene informacin de cmo esta la salida (Planta).

Control de temperatura.Lazo abierto - No se mideLazo cerradoSi se mide

Elementos que componen un sistema de controlProcesoVariablesa controlarControladorValores DeseadosActuadorTransmisorValores medidosVariables para actuar

ProcesoTransmisorVariable Medida oControlada CVControled Variable oProcess Variable PVSalida (del proceso)Controlador SPSet PointReferenciaConsignaVariable manipuladaManipulated Variable MVDVMV E (Error)PV PVPerturbacionesDesviation Variables DVElementos que componen un sistema de controlSensor oE. primarioSistema de medidaActuadorReguladorComparadorAmplificadorPVSPSeal o AccinDe ControlSeal AmplificadaTransductor

Variable de proceso,PV.La variable medida que se desea estabilizar (controlar) recibe el nombre de variable de proceso ("process value") y se abrevia PV.Un buen ejemplo de variable de proceso es la temperatura, la cual mide el instrumento controlador mediante un termopar o una Pt100.

Set Point SP o ConsignaEl valor prefijado (Set Point, SP) es el valor deseado de la variable de proceso,es decir, la consigna.Es el valor al cual el control se debe encargar de mantener la PV.Por ejemplo en un horno la temperatura actual es 155 C y el controlador esta programado para llevar la temperatura a 200C.Luego PV=155 y SP=200.

Error ESe define error como la diferencia entre la variable de proceso PV y el set point SP,E = SP - PVEn el ejemplo anterior E = (SP - PV) = (200C - 155C) = 45 C.Recuerde que el error ser positivo cuando la temperatura sea menor que el set point, PV < SP .

Estructura general de un sistema de medida.

Elementos de un sistema de medidaSensor o elemento primario: Mide o sensa el valor de una variable de proceso, y toma una salida proporcional a la medida. Esta salida, puede o no, ser elctrica. El sensor debe tomar la menor energa posible del sistema, para no introducir error.Transductor: Elemento que transforma la magnitud medida por el elemento primario en una seal elctrica. Transmisor o Acondicionador de seal : Elemento que convierte, acondiciona y normaliza la seal para su procesamiento.En la industria, las seales de salida normalizadas son: 4 a 20mA, 0 a 5v, 0 a 10v, si son salidas elctricas y 3 a 15 psi en seal neumtica.

Tipos de sensoresPor el principio fsico:ResistivoCapacitivoInductivoPiezoresistivoFotovolticoElectromagnticoTermomagnticoPiezoelctricoPor la salida:ElctricaactivospasivosMecnicaPor la magnitud a medir, es la clasificacin ms utilizada:TemperaturaPresinCaudalPosicinVelocidad, etc...

Actuadores (Elemento final de control)

ElctricosRelsSolenoidesMotores CCMotores ACMotores paso a paso

Hidrulicos o neumticosVlvulas neumticasVlvulas de solenoideCilindros y vlvulas pilotoMotores

ACTIVIDADAnalizar los siguientes sistemas, explicando que tipo de lazo es y porque. Explicar cmo se podra perfeccionar el sistema:Tostadora por tiempo.Control de semforos por tiempo.Bomba de calor de una vivienda.Identificar en cada sistema anterior, las seales y elementos tpicos de un sistema de control. Dibujar el diagrama de bloques. Crear dos sistemas nuevos de control, uno en lazo abierto y otro en lazo cerrado, modificando el de lazo abierto. Identificando seales y elementos bsicos.

Sistemas actuales de controlControl clsicoControl en cascadaControl con aprendizajeControl por lgica difusaControl digital directo (ddc) Control supervisor (spc y scada)Control distribuido (scd)Control jerarquizado

Control clsicoControl de dos posiciones (todo-nada) (on-off)Proporcional de tiempo variable (PWM)Proporcional (P)Proporcional + Integral (PI)Proporcional + Derivativo (PD)Proporcional + Integral + Derivativo (PID)

El control On/Off o de dos posicionesTomemos por ejemplo, el caso de un horno elctrico.La temperatura aumenta al activar las resistencias calentadoras mediante un contactor, gobernado a su vez por un rel dentro del controlador.El modo de control ON/OFF es el ms elemental y consiste en activar el mando de calentamiento cuando la temperatura est por debajo de la temperatura deseada SP y luego desactivarlo cuando la temperatura est por arriba.Debido a la inercia trmica del horno la temperatura estar continuamente fluctuando alrededor del SP.Las fluctuaciones aumentarn cuanto mayor sea la inercia trmica del horno (retardo).Este control no es el ms adecuado cuando se desea una temperatura constante y uniforme

El control On/Off o de dos posiciones

Control de dos posiciones

Control discreto o de dos posicioneso control ON / OFFDetector de mximo y mnimo nivelElectrovlvulaON/OFFRelLas variables soloadmiten un conjunto de estados finitos

Control Proporcional de tiempo variable (PWM)Para poder controlar la temperatura con menos fluctuaciones, se debe entregar al horno una potencia gradual, para mantenerlo a la temperatura deseada .En el ejemplo anterior del control On/Off, el rel del mando de calentamiento estar activado 100%, entregando el mximo de potencia al horno o bien desactivado sin entregar potencia.El controlador proporcional entrega una potencia que vara en forma gradual entre 0 y 100% segn se requiera y en forma proporcional al error (SP-PV).

PWM pulse width modulationModulacin por ancho de pulsoEs posible modular de 0% a 100% la potencia que recibe un horno elctrico mediante el mismo contactor que se usara para un control on/off.La idea es modular el tiempo de activacin del contactor durante un tiempo fijo tc, llamado tiempo de ciclo, de modo que el horno reciba finalmente un promedio de la potencia.Supongamos que nuestro horno funciona con un calefactor de 1000W, si se requiere una potencia de 500W, equivalente a 50% de la total, entonces se activa 2 segundos el rel y se desactiva otros 2, para luego empezar otro ciclo.El efecto neto ser que el horno recibe 50% de la potencia pero la temperatura no flucta al ritmo del tiempo de ciclo pues este es menor al tiempo de respuesta del horno.

Siguiendo con el ejemplo, si hace falta 250W, es decir 25% de la potencia basta con tener 1 segundo activado el rel y 3 segundos desactivado.

Control Proporcional o ContinuoLa variable controlada, toma valores en un rango continuo, semide y se acta continuamente sobre un rango de valoresdel actuadorVariable ManipuladaVariable ControladaReferenciaLTLCPerturbacinControl Cascada

Control proporcionalEl controlador proporcional entrega una potencia que vara en forma proporcional al error (SP-PV).Para poner en marcha un controlador proporcional se deben fijar los siguientes parmetros:La temperatura deseada SP , por ej. SP = 200 CLa banda proporcional Pb, por ej. Pb = 10 %.La banda proporcional Pb se programa en el controlador como un porcentaje del SP.banda = Pb x SP/100%

Internamente el controlador realizar el clculo del porcentaje de salida "Out" mediante la siguiente frmula:Out = [ 100% * E / banda ]banda = Pb*SP/100%E = (SP - PV)Para los valores del ejemplo SP=200C y Pb=10%, la potencia determinada por el control variar a lo largo 20C abajo del SP.banda = Pb*SP/100% = 10% * 200 C / 100% = 20CEs decir que la banda a lo largo de la cual variar gradualmente la potencia ser: 180C...200C.Por ejemplo si la temperatura del horno es igual o menor de 180C, la salida de control (potencia) ser 100%.Cuando la temperatura est en la mitad de la banda, es decir en 190C la salida ser 50% :Out% = [100% * E / banda] = 100%*(200-190)/20 = 50%Al llegar la temperatura a 200 C la salida ser 0% :.Out% = [100%*(200-200)/20] = 0%

Control Proporcional Derivativo PDEsta accin suele llamarse de velocidad, pero nunca puede tenerse sola, pues slo actua en periodo transitorio.Un control PD es uno proporcional al que se le agrega la capacidad de considerar tambin la velocidad de la temperatura en el tiempo.De esta forma se puede "adelantar" la accin de control del mando de salida para obtener as una temperatura ms estable.Si la temperatura esta por debajo del SP, pero subiendo muy rpidamente y se va a pasar de largo el SP, entonces el control se adelanta y disminuye la potencia de los calefactores.Al revs si la temperatura es mayor que el SP, la salida debera ser 0% pero si el control estima que la temperatura baja muy rpido y se va pasar para abajo del SP, entonces le coloca algo de potencia a la salida para ir frenando el descenso brusco.

Control PDLa accin derivativa es llamada a veces "rate action" por algunos fabricantes de controles porque considera la "razn de cambio" de la temperatura.En el ejemplo del horno agregamos un nuevo parmetro llamado constante derivativa D, medido en segundos.Internamente el controlador realizar ahora el clculo:Out = [ 100% * ( E - D * Vel) / ( banda ) ]banda = Pb*SP/100%Donde "Vel" es la velocidad de la temperatura medida por el controlador, en C/segPara este ejemplo fijamos D = 5 seg. y como antes SP=200 C y Pb=10%.

Ejemplo de Control PDSupongamos que en un momento dado, la temperatura del horno es de 185C y est subiendo a una velocidad Vel= 2 C/Seg..En un control proporcional la salida debera ser de 75%.Out = [ 100% *E / banda ] = 100%*15C/20C = 75%Pero en este caso el control PD toma en cuenta la velocidad de ascenso de la temperatura y la multiplica por la constante derivativa D y obtiene :Out = [ 100% * ( E - D * Vel) / ( banda ) ]= [ 100% * (15C - 5 Seg * 2 C/Seg.) / banda ]= [ 100% * (5C) / 20C ] = 25%entonces a pesar que la temperatura actual es 185 C, la salida es 25% en vez de 75%, al considerar la velocidad de ascenso de la temperaturaDe la misma forma, si la temperatura est sobre 200 C pero descendiendo rpidamente, (velocidad negativa) por ejemplo: -1C/seg, entonces el control activar antes y con mayor potencia la salida intentando que no baje de 200 C.

Control PIEste control es el proporcional ms la accin integral, que lo corrige tomando en cuenta la magnitud del error y el tiempo que este ha permanecido.Para ello se le programa al control una constante I, que es "la cantidad de veces que aumenta la accin proporcional por segundo.Por muy pequeo que sea el valor programado de I, siempre corregir el error estacionario, pero tardar ms tiempo en hacerlo.Al revs si se programa un valor excesivo de I , entonces la accin integral tendr mucha fuerza en la salida y el sistema alcanzar rpidamente el SP, pero lo ms probable es que siga de largo por efectos de la inercia trmica.Entonces la accin integral (con error negativo) ser en sentido contrario, ir disminuyendo rpidamente de acuerdo al error.Como consecuencia habr una excesiva disminucin de la potencia de salida y la temperatura probablemente baje del SP, entrando as el sistema en un ciclo oscilatorio.En la prctica normalmente I deber ser grande solo en sistemas que reaccionan rpidamente, (por ejemplo controles de velocidad de motores ) y pequeo para sistemas lentos con mucha inercia. (Por ejemplo hornos)En general los valores de la constante I son relativamente pequeos, para la mayora de los sistemas el valor adecuado de I varia entre 0 y 0,08

Control PIDUn control PID es un controlador proporcional con accin derivativa y accin integral simultneamente superpuestas.el lector ya debe estarse preguntando cmo elegir los valores de los parmetros Pb, D, I, que debe introducir en su controlador PID.Existe un solo conjunto de valores Pb, D, I que darn el rendimiento ptimo para un sistema y encontrarlos requiere: conocimientos tericos, habilidad, experiencia y suerte.

Control PID

Seleccin del control.

Criterios de estabilidad

Control en cascada

Control con aprendizajeSistema al que se le ha enseado la eleccin de control para cada situacin ambiental.

Control por lgica difusa

Control Digital Directo (DDC)

Control supervisor(SPC y SCADA)

Sistemas SCADA: Supervisin, Control y Adquisicin de Datos.Multi PanelPROFIBUS-DPNivel de PLC Sistemas SCADATCP/IPConexin a impresora de redAcceso a archivos y recetasSIEMENS

Control distribuido

Redes de control distribuido

Control Jerarquizado

Instrumentacin de un control automtico.ISAInstrumentacin: Conjunto de aparatos o su aplicacin para el propsito de observar, medir o controlar.

qaControl de flujoFCwuBomba centrfugaCaudalmetroVlvulaBomba, valvula: dimensionamiento, posicionamientoCaudalmetro: Tipo, rangoOrden: Bomba, caudalmetro, vlvula

Control de nivelqLCwuLTqihSeleccin del tipo de transmisor

Control de presinPCPTFiFuawVariedad de dinmicas y objetivosSistema rpidoSintona de PI

Control de temperaturaTTuTCwqTMuchas arquitecturas / procesos Proceso lento PID Posibles retardos por la colocacin del transmisor

Instrumentacin de un control automtico.

MUCHAS GRACIAS!

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