Controladores
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Este documento trata sobre controladores automáticos. Explica que un controlador detecta los desvíos entre el valor medido y el deseado, emitiendo una señal de corrección al actuador. Describe los tipos de controladores como proporcional, integral y derivativo, y cómo estas acciones de control pueden combinarse en controladores PID. Finalmente, concluye que el control automático es importante en la ingeniería para sistemas robóticos y de procesos industriales.
Controladores
- 1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN MATURÍN CONTROLADORES Autor: Julio Perez C.I.:.: 22.720.795 Docente: Ing. Mariángela Pollonai Maturín, julio de 2014
- 2. ÍNDICE 1.INTRODUCCIÓN.........................................................................................................................3 2.CONTROLADOR.........................................................................................................................4 3.COMPENSACIÓN DE ADELANTO...........................................................................................5 4.COMPENSACIÓN DE ATRASO................................................................................................5 5.TIPOS DE CONTROLADORES..................................................................................................6 6.ACCIONES DE CONTROL.........................................................................................................7 7.CONCLUSIÓN...........................................................................................................................10
- 3. 1. INTRODUCCIÓN Los sistemas controlados han estado evolucionando de forma acelerada los últimos días y hoy en día pasan desapercibidos para mucha gente, pues presentan pocos o ningún problema, las técnicas de control se han mejorado a través de los años, sin embargo es muy importante que se conozca la teoría básica de control, debido a que esto ayuda a facilitar su comprensión en la práctica. El control automático desempeña una función vital en el avance de la ingeniería y la Ciencia, ya que el control automático se ha vuelto una parte importante e integral de los procesos modernos industriales y de manufactura. Por lo cuál la teoría de control es un tema de interés para muchos científicos e ingenieros que desean dar nuevas ideas, para obtener un desempeño óptimo de los sistemas dinámicos y disminuir tareas manuales o repetitivas.
- 4. 2. CONTROLADOR El controlador es una componente del sistema de control que detecta los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o “set point”, programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador como se observa en la figura 1. Figura 1 Sistema de control de nivel sencillo Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno o más procesos. Al principio los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos, conforme la tecnología fue desarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de microcontroladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia o “Set point”, con el valor medido del parámetro más importante a controlar en un proceso La actuación puede ser de forma clásica de acuerdo al tamaño y tiempo de duración del error, así como la razón de cambio existente entre ambos o aplicando sistemas expertos a través de la lógica difusa y redes neuronales. Cada proceso tiene una dinámica propia, única, que lo diferencia de todos los demás; es como la personalidad, la huella digital de cada persona, como su ADN... Por lo tanto, cuando en un Lazo de control sintonizamos los algoritmos P (Proporcional), I (Integral) y D (Derivativo) de un Controlador, debemos investigar, probar, compenetrarnos con la ‘personalidad’ del proceso que deseamos controlar, debemos medir calibrar y mantener todo tipo de variables de proceso, y sintonizar los parámetros de los algoritmos de control. Por consiguiente, la sintonización de los parámetros P, I y D debe realizarse en tal forma que calce en la forma más perfecta posible con la dinámica propia del proceso en el cual hemos instalado un lazo de control, sea éste simple o complejo”. Los conceptos de “Tiempo Muerto”, “Constante de Tiempo”, “Ganancia del Proceso”, “Ganancia Última” y “Período Último”, nos da la idea de la diferencia entre los procesos, aunque sean del Sensor Señal Eléctrica Controlador Señal Eléctrica Actuador Transductror Señal Neumática Válvula Neumática PROCESO
- 5. mismo tipo, La figura muestra un Lazo de Control en el que se aplica la estrategia de “Control Realimentado”. Como sabemos, el concepto central de esta estrategia es medir en forma continua el valor de aquella variable del proceso que nos interesa controlar y compararla con el Valor Deseado(“Set Point”) de esa variable que hemos ajustado en el Controlador. Cualquier diferencia entre ambos valores, el medido y el deseado, constituye un “error”, que será utilizado por el controlador 3. COMPENSACIÓN DE ADELANTO La compensación de adelanto produce, en esencia, un mejoramiento razonable en la respuesta transitoria y un cambio pequeño en la precisión en estado estable. Características de los compensadores de adelanto Figura 2 Gráfico de Compensación en Adelanto 4. COMPENSACIÓN DE ATRASO La compensación de atraso produce un mejoramiento notable en la precisión en estado estable a costa de aumentar el tiempo de respuesta transitoria. Características de los compensadores de atraso
- 6. Figura 3 Gráfico de Compensación en Atraso 5. TIPOS DE CONTROLADORES 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 acero o a un valor pequeño. La manera en la cual el controlador automático produce la señal de control se denomina acción de control. Todos los modos descritos, tanto como el simple controlador On/Off, usan la misma señal de error. Sin embargo, cada uno de ellos usa diferentes caminos: • El modo de control On/Off usa información sobre la presencia del error. • El modo proporcional usa información sobre la magnitud del error. • El modo integral usa información sobre el error promedio en un período de tiempo. • El modo derivativo usa información sobre la velocidad en el cambio del error. En todos los casos, el objetivo es mantener a la variable controlada tan cerca al punto de referencia como sea posible. La acción derivativa es generalmente usada en conjunto con una acción proporcional e integral. Este tipo de controlador resultante es llamado “controlador PID” denominado controlador trimodo. Si se puede obtener el modelo matemático del proceso, entonces es posible aplicar varias técnicas para determinar los parámetros de este cumpliendo con las especificaciones transitorias y de estado estacionario del sistema de control de lazo cerrado. Sin embargo si el proceso es tan complicado no encontrando su modelo matemático, es imposible el método analítico de diseño de un controlador PID. Se debe recurrir a modelos experimentales para el diseño de controladores PID. Este proceso se conoce como calibración o sintonía del controlador. Zieger y Nichols sugirieron reglas para afinar controladores PID. Consideremos un lazo de control de una entrada y una salida de un grado de libertad: Figura 4 Diagrama en bloques
- 7. 6. ACCIONES DE CONTROL Los miembros de la familia de controladores PID, incluyen tres acciones: proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). Estos controladores son los denominados P, I, PI, PD y PID. P: Acción de control proporcional, da una salida del controlador que es proporcional al error, es decir: u(t)=Kp.e(t),que describe desde su función transferencia queda: Cp(s) =K p Donde Kp es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee desempeño limitado y error en régimen permanente (off- set). I: Acción de control integral, da una salida del controlador que es proporcional al error acumulado, lo que implica que es un modo de controlar lento. ∫= t tdteKi 0 )(*)(U(t) S K =(s)Cp La señal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la señal de error e(t) es cero. Por lo que se concluye que dada una referencia constante, o perturbaciones, el error en régimen permanente es cero. PI: acción de control proporcional-integral, se define mediante ∫+= t tdte Ti K tKp 0 )(*)()(U(t) donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la acción integral. La función de transferencia resulta: += Tps Kp 1 1Cpi(s) Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción de control distinta de cero. Con acción integral, un error pequeño positivo siempre nos daría una acción de control creciente, y si fuera negativo la señal de control seria decreciente. Este razonamiento sencillo nos muestra que el error en régimen permanente será siempre cero. Muchos controladores industriales tienen solo acción PI. Se puede demostrar que un control PI es adecuado para todos los procesos donde la dinámica es esencialmente de primer orden. Lo que puede demostrarse en forma sencilla, por ejemplo, si aplicamos un control proporcional- integral para controlar el posicionamiento de un brazo robot de una cadena de montaje, al recibir una señal de error para desplazar el brazo un centímetro en el eje X, se produce un desplazamiento brusco provocado por el control proporcional que lo acercará, con mayor o menor precisión al punto deseado y, posteriormente, el control integral continuará con el control
- 8. del brazo hasta posicionarlo el punto exacto, momento en el que desaparecerá totalmente la señal de error y, por tanto, eliminando totalmente el posible error remanente del sistema. PD: acción de control proporcional-derivativa, se define: dt tde TdKptKpe )( **)(U(t) += Donde Td es una constante de denominada tiempo derivativo. Esta acción tiene carácter de previsión, lo que hace mas rápida la acción de control, aunque tiene la desventaja importante que amplifica las señales de ruido y puede provocar saturación en el actuador. La acción de control derivativa nunca se utiliza por sı sola, debido a que solo es eficaz durante periodos transitorios. La función transferencia de un controlador PD resulta: TdKpsKp **(s)CPD += Cuando una acción de control derivativa se agrega a un controlador proporcional, permite obtener un controlador de alta sensibilidad, es decir que responde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección significativa antes de que la magnitud del error se vuelva demasiado grande. Aunque el control derivativo no afecta en forma directa al error en estado estacionario, añade amortiguamiento al sistema y, por tanto, permite un valor más grande que la ganancia K, lo cual provoca una mejora en la precisión en estado estable. Por ejemplo, si durante la conducción de un automóvil, de repente, se produce alguna situación anómala (como un obstáculo imprevisto en la carretera, u otro vehículo que invade parcialmente nuestra calzada), de forma involuntaria, el cerebro envía una respuesta casi instantánea a las piernas y brazos, de forma que se corrija velocidad y dirección de nuestro vehículo para sortear el obstáculo. Si el tiempo de actuación es muy corto, el cerebro tiene que actuar muy rápidamente (control derivativo) y, por tanto, la precisión en la maniobra es muy escasa, lo que derivará a efectuar movimientos muy bruscos de forma oscilatoria. Estos movimientos bruscos pueden ser causa un accidente de tráfico. En este caso, el tiempo de respuesta y la experiencia en la conducción (ajuste del controlador derivativo) harán que el control derivativo producido por el cerebro del conductor sea o no efectivo. PID: acción de control proporcional-integral-derivativa, esta acción combinada reúne las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación de un controlador con esta acción combinada se obtiene mediante: dt tde TdKptdte Ti K tKpe t )( **)()()(U(t) 0 ∫ ++= y su función transferencia resulta: ++= Tds Tis Kp * 1 1(s)CPID
- 9. Como ejemplo de un sistema de control PID, podemos poner la conducción de un automóvil. Cuando el cerebro da una orden de cambio de dirección, en una maniobra normal, la acción de control predominante del sistema es la proporcional, que aproximará la dirección al punto deseado de forma más o menos precisa. Una vez que la dirección esté cerca del punto deseado, comenzará la acción integral que eliminará el posible error producido por el control proporcional, hasta posicionar el volante en el punto preciso. Si la maniobra es lenta, la acción derivativa no tendrá apenas efecto. Si la maniobra requiere mayor velocidad de actuación, la acción de control derivativo adquirirá mayor importancia, aumentando la velocidad de respuesta inicial del sistema y posteriormente actuará la acción proporcional y finalmente la integral. En el caso de una maniobra muy brusca, el control derivativo tomará máxima relevancia, quedando casi sin efecto la acción proporcional e integral, lo que provocará muy poca precisión en la maniobra. La forma en la cual el controlador automático produce la señal de control se llama “acción de control”. Los controladores automáticos comparan el valor real de salida de la planta con la entrada de referencia, lo cual determina la desviación con la que el controlador debe producir una señal de control que reduzca la desviación. En el siguiente ejemplo se muestra un diagrama de bloques con un sistema de control automático general, formado por un controlador, un actuador, una planta y un sensor (Fig. 2). En este diagrama el controlador detecta la señal de error, la amplifica y la envía al actuador que produce la entrada a la planta: la salida de la planta es medida por un sensor que transforma la señal y la envía al controlador, para que pueda ser comparada con la señal de referencia. Figura 5, Diagrama de Bloques General de un Control Automático
- 10. 7. CONCLUSIÓN El control automático es de vital importancia en el mundo de la ingeniería. Además de resultar imprescindible en sistemas robóticos o de procesos de manufactura moderna, entre otras aplicaciones se ha vuelto esencial en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad, viscosidad flujo en las industrias de transformación. El sistema de control automático de proceso es una disciplina que se ha desarrollado a una velocidad vertiginosa, dando las bases a lo que hoy algunos autores llaman la segunda revolución industrial. El 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.