SISTEMAS DE CONTROL

SISTEMAS DE CONTROL: ELEMENTOS COMPONENTES, VARIABLES

Los sistemas de control automático han jugado un papel vital en el avance de la ciencia y de la ingeniería. El control automático se ha vuelto parte integral de los procesos industriales y de manufactura.

Además podemos decir que gracias a la acción del control automático ha sido posible la fabricación de productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual.

Sistema de control

Un sistema en una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. Si este objetivo es controlar un determinado proceso hablaremos entonces de sistemas de control.

Básicamente los sistemas de control se pueden dividir en dos tipos: de lazo abierto y de lazo cerrado.

Un ejemplo típico de sistema de control en lazo abierto es la regulación de una lavadora o de los semáforos de una ciudad. En estos sistemas de control se sigue una secuencia prefijada pero el sistema no toma información del medio para ver si su acción sobre éste produce los efectos deseados. Por ejemplo, un semáforo en una calle de acceso a un estadio de fútbol no cambia su secuencia sea o no día de partido.

Un sistema de control en lazo cerrado es aquel que trata de mantener una relación preestablecida entre una variable de salida y otra de entrada comprobando las funciones de esas variables y utilizando la diferencia como modo de control.

Elementos componentes de un sistema de control

Independientemente del tipo de tecnología empleada en los sistemas de control, en todo sistema de control se utilizan los siguientes dispositivos:

- Generador del valor de referencia o consigna. Es el sistema que genera la señal encargada de imponer el valor deseado en la salida. La señal de referencia se aplica a un dispositivo llamado detector de error, al objeto de comparar su valor con el de la salida a través del lazo de realimentación.

- Transductor de la señal de salida. Consiste en un dispositivo capaz de medir en cada instante el valor de la magnitud de salida y proveer una señal proporcional a dicho valor. Consta de dos partes:

 El captador, llamado también sensor o elemento primario, cuya finalidad es captar directamente la magnitud medida.

El transmisor es la parte del transductor que tiene por finalidad transformar la magnitud vista por el captador, normalmente la variación de una magnitud eléctrica o neumática.

 El Comparador o detector de error. Es el dispositivo encargado de comparar el valor de referencia con el valor medido de la variable de salida a través del transductor de realimentación

El Corrector de error. Es el dispositivo encargado de amplificar y modificar adecuadamente la señal de error que le proporciona el detector de error, con el fin de que la acción de control sobre el sistema sea más eficaz.

El Amplificador de control. Llamado también amplificador de potencia, tiene como finalidad amplificar la señal vista por el corrector de error al objeto de que alcance un nivel suficiente para accionar el elemento final de control.

El Elemento final de control. Es el dispositivo situado en un sistema de control cuyo objeto es modificar la variable de salida para que tenga el valor deseado.

El Sistema o planta. Es el lugar donde se desea realizar una acción de control.

Variables de un sistema de control

Al analizar un sistema de control observamos que cada uno de los componentes  (transductores, amplificadores, etc.) constituye un sistema físico individual caracterizado por tener una entrada y una salida variables con el tiempo.

Para poder determinar cómo están relacionadas las entradas y salidas de cada sistema, es necesario aplicar las leyes físicas que lo rigen, obteniéndose así un sistema de ecuaciones que pueden ser diferenciales lineales y no lineales.

Si las variables son continuas se utiliza la transformada de Laplace para resolver las ecuaciones mientras que si son discretas se utiliza la transformada Z.

Mencionar también las variables llamadas de estado o también llamadas condiciones iniciales que corresponden a los valores en el instante iniciales de las variables de un sistema.

Elementos Primarios

 Se considera elemento primario, aquellos que existen de manera individual e independiente en un lazo. La función que desempeña en el lazo es la de detectar inicialmente el valor de una variable de proceso. Están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. 

Clasificación de los Elementos Primarios

 Existen básicamente dos criterios que se utilizan para la clasificación de los Elementos Primarios:  

a) Tipo de Señal de Entrada

 

Se refiere a la variable de proceso que se desea medir y/o controlar. Según la señal de entrada la variedad de elementos primarios existentes resulta realmente extensa ya que dependería de la cantidad de variables de proceso sujetas a medición y/o a control en la industria. Sin embargo, si nos limitamos a las variables de proceso más frecuentemente consideradas en el campo de instrumentación industrial, entonces tendríamos básicamente cuatro tipos de elementos primarios: 

Sensores de Presión: Son sensores que están dotados de un elemento sensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite. 

Sensores de Nivel: Es un dispositivo electrónico que mide la altura del material, generalmente líquido, dentro de un tanque u otro recipiente. 

Sensores de Flujo: Es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas. Estos son del tipo apagado/encendido; determinan cuándo está o no circulando un fluido. 

Sensores de Temperatura: se utilizan para detectar variaciones de la temperatura. Están construidos a partir de materiales que cuya resistencia eléctrica varía según la temperatura. De ellos existen dos tipos: NTC: (coeficiente de temperatura negativa): En el NTC el valor de la resistencia eléctrica es inversamente proporcional a la temperatura. Por lo que si aumenta la temperatura disminuye la resistencia eléctrica PTC: (coeficiente de temperatura positivo): En el PTC el valor de la resistencia eléctrica es directamente proporcional a la temperatura por lo que si aumenta la temperatura aumenta la resistencia eléctrica. También existen sensores que envían una señal de voltaje, como las termocupla o los que tienen un capilar lleno de algún líquido cuya expansión  sea proporcional a la variación de temperatura.

b) Tipo de señal de Señal de Salida: 

Se refiere al tipo de respuesta generada o producida por el elemento primario como función de señal de entrada. 

Sensores Mecánicos: Son dispositivos que cambian su comportamiento bajo la acción de una magnitud física que pueden directa o indirectamente transmitir una señal que indica cambio. 

Sensores Eléctrico/Electrónicos: Los sensores Eléctricos o Electrónicos son aquellos cuya señal de salida es representada por una variación en alguna de las propiedades eléctricas del sensor. 

Sensores Electro-Mecánicos: están constituidos por una combinación de elementos mecánicos y eléctricos donde se genera inicialmente movimiento el cual a su vez, genera algún cambio en una variable eléctrica en el sensor. 

Elemento final de Control

Los elementos “finales “de control, convierten los comandos del sistema de control en acciones concretas para corregir el comportamiento de las variables del proceso tecnológico. Los elementos finales de control más habituales son las válvulas de control, que pueden ser autoaccionadas o controladas por un controlador a través de un actuador

El elemento final de control es aquel que finalmente modifica alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Dependiendo del tipo de proceso y de los objetivos, se tienen una variedad de estos elementos. Desde dispositivos que reciben señales de control del tipo discreto hasta otros que actúan regulando la variable de interés dentro de cierto rango como por ejemplo el flujo de un fluido a través de una válvula de control, la velocidad de un motor por medio de un variador de velocidad o la temperatura de un horno eléctrico utilizando una resistencia calefactora.

Tipos de elementos finales de control

 Válvulas

Una válvula de control es el elemento final de control más comúnmente usado en la Industria. Este dispositivo varía el flujo de material o energía aun proceso, ajustando una abertura a través de la cual fluye el material, Es por lo tanto un orificio variable en la línea.

Actuadores

El actuador es parte integrante de todos los cuadros de control automático. El actuador  responde a una señal del controlador automático y mueve el elemento de control. El actuador es el amplificador de potencia entre el controlador y el proceso, produce la fuerza motriz requerida para ubicar al elemento final de control. Ya que la estabilidad y funcionamiento del cuadro se basan en el funcionamiento satisfactorio del actuador, éste debe poder controlar las muchas y variables fuerzas estáticas y dinámicas.

Hay seis tipos básicos de actuadores para control, los más usados son los

1) Actuadores Neumáticos de Diafragma (acción directa e inversa)

2) Actuadores de Pistón Neumáticos

3) Actuadores Eléctricos

4) Actuadores Hidráulicos o Electrohidráulicos

5) Manuales