II PAPER-DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICA-FIES-EAPS SEGUNDA UNIDAD DIDACTICA: DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL

UNH-PERU 10/07/2012

ING. EDGAR R. JULIÁN LAIME Página 1

CAPITULO II

2. DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL

Todo proceso industrial es controlado básicamente por tres tipos de

elementos el transmisor (medidor o sensor) (TT), el controlador (TIC o TRC) y la

válvula o elemento final de control, según puede verse en la Fig. 2.1.

La Fig. 2.1 corresponde al típico intercambiador de calor, en el que un fluido

de calefacción (vapor) calienta un producto de entrada hasta una temperatura de

salida que es transmitida por TT y controlada e indicada por TIC (o controlada y

registrada por TRC) a través de una válvula de control V. Esta deja pasar el vapor

de calefacción suficiente para mantener la temperatura del fluido caliente en un

valor deseado o punto de consigna que es prefijado (valor de referencia o “set

point”) en el controlador TIC o TRC.

La combinación de los componentes transmisor-controlador-válvula de

control-proceso, que actúan conjuntamente, recibe el nombre de sistema y

cumple el objetivo de mantener una temperatura constante en el fluido caliente de

salida del intercambiador. Cada uno de los componentes anteriores considerados

aisladamente es también un sistema, puesto que cada uno cumple un objetivo

determinado. Por ejemplo, el transmisor convierte los valores de la temperatura a

señales neumáticas o electrónicas; el controlador mantiene la señal de entrada

constante para cada punto de consigna o valor deseado fijado por el operador,

mediante la variación de la señal de salida a la válvula de control; la válvula de

control convierte la señal de entrada neumática o electrónica a posición de su

vástago y, por tanto, gobierna el caudal de vapor con que alimenta el serpentín

del intercambiador de calor; el proceso cumple el objetivo de calentar el fluido de

salida, mediante el vapor de entrada, y lo hace a través de un serpentín, del que

se elimina continuamente el condensado con un purgador. Nótese que en cada

uno de los sistemas anteriores se ha considerado una entrada y una salida; por

ejemplo, en el caso de la válvula de control, la entrada es la señal procedente del

controlador y la salida es el caudal de vapor al serpentín; y en el caso del

proceso, la entrada es el caudal de vapor que pasa a través de la válvula y la

salida es la temperatura del fluido caliente.


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FIGURA 2.1: PROCESO INDUSTRIAL TIPICO (INTERCAMBIADOR DE CALOR)

Estos sistemas se representan mediante un rectángulo llamado bloque, la

variable o variables de entrada constituidas por flechas que entran en el

rectángulo, y la variable o variables de salida representadas por flechas que salen

del rectángulo. De este modo, el sistema de la Fig. 2.1 quedaría representado

según se ve en la Fig. 2.2 denominado diagrama de bloques.

FIGURA 2.2: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN PROCESO INDUSTRIAL TIPICO

La señal (perturbaciones) en el bloque del proceso se refiere a las

variables que –aparte del caudal de vapor de agua– pueden afectar el proceso;

por ejemplo, el mal funcionamiento del purgador de vapor, las variaciones de

caudal o de temperatura del fluido de entrada, los cambios de temperatura

exteriores al intercambiador, el posible recubrimiento, con el tiempo, de la pared

del serpentín que está en contacto con el fluido, con la consiguiente alteración en

la transmisión del calor de condensación del vapor, las variaciones de presión del


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vapor producidas por el consumo variable de vapor en los sistemas próximos al

considerado, o por otras causas, etc.

El sistema de control anterior pertenece a los denominados servosistemas.

En su significado más amplio, el servosistema corresponde a un sistema de

mando y control automático de aparatos basado en la anulación de las

desviaciones que existan entre el valor instantáneo de la magnitud a regular y el

valor prescrito para la misma.

Un caso particular de los servosistemas son los controladores o reguladores;

en ellos la respuesta o señal de salida tiende fundamentalmente a contrarrestar

las perturbaciones que afectan a la variable o magnitud de entrada. Este es el

caso del TIC o TRC de la Fig. 2.1. En estos aparatos, la magnitud de entrada se

fija en un valor constante (que es el valor de referencia o punto de consigna del

controlador) o en un valor variable con el tiempo según una ley programada (se

trata entonces de controladores programadores). Otro caso particular son los

servomecanismos.

2.1. Sistema de Control Retroalimentado (“FEEDBACK”)

Como se ha visto anteriormente, el control retroalimentado es una operación

que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida

de un sistema y alguna entrada de referencia, realizándolo sobre la base de esta

diferencia. Aquí sólo se especifican las perturbaciones no previsibles, ya que las

previsibles o conocidas siempre pueden compensarse dentro del sistema.

Se denomina sistema de control retroalimentado a aquel que tiende a

mantener una relación preestablecida entre la salida y alguna entrada de

referencia, comparándolas y utilizando la diferencia como medio de control. Por

ejemplo el control de temperatura del tanque mezclador de la Fig. (1.1). Midiendo

la temperatura de salida del tanque y comparándola con la temperatura de

referencia (temperatura deseada), la válvula de entrada de vapor regula el flujo de

éste aumentando o disminuyendo para mantener la temperatura de la corriente de

salida en el valor deseado.

2.2. Servosistemas

El servosistema (o servomecanismo) es un sistema de control

retroalimentado en el que la salida es algún elemento mecánico, sea posición,

velocidad o aceleración. Por tanto, los términos servosistema o sistema de control

de posición, o de velocidad o de aceleración, son sinónimos. Estos servosistemas


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se utilizan ampliamente en la industria moderna. Por ejemplo con el uso de

servosistemas e instrucción programada se puede lograr la operación totalmente

automática de máquinas herramientas. Nótese que a veces se denomina también

servosistema a un sistema de control cuya salida debe seguir con exactitud una

trayectoria determinada en el espacio (como la posición de una aeronave en el

espacio en un aterrizaje automático). Los ejemplos incluyen el sistema de control

de una mano de robot, en que la misma debe seguir una trayectoria determinada

en el espacio al igual que una aeronave en el sistema de control de aterrizaje.

2.3. Sistema de regulación automática

Un sistema de regulación automática es un sistema de control en el que la

entrada de referencia o salida deseada son, o bien constantes o bien varían

lentamente con el tiempo, y donde la tarea fundamental consiste en mantener la

salida en el valor deseado a pesar de las perturbaciones presentes. Por ejemplo

los controles automáticos de presión y temperatura en un proceso químico.

2.4. Sistemas de control de procesos

A un sistema de regulación automática en el que la salida es una variable

como temperatura, presión, flujo, nivel de liquido o pH, se le denomina sistema de

control de proceso. El control de procesos tiene amplia aplicación en la industria.

En estos sistemas con frecuencia se usan controles programados, como el de la

temperatura de un horno de calentamiento en que la temperatura del mismo se

controla según un programa preestablecido. Por ejemplo el programa

preestablecido puede consistir en elevar la temperatura a determinado valor

durante un intervalo de tiempo definido, y luego reducir a otra temperatura

prefijada también durante un periodo predeterminado. En este control el punto de

referencia se ajusta según el cronograma preestablecido. El controlador entonces

funciona manteniendo la temperatura del horno cercana al punto de ajuste

variable.


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FIGURA 2.3: SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA MEDIANTE SOFTWARE

En la Fig. 2.3, se puede apreciar el esquema para el control mediante una

computadora de la temperatura en un horno eléctrico. La Temperatura en el

interior del horno se mide con una Termocupla (Dimetálico), que es un dispositivo

analógico. La Temperatura se convierte a un valor de temperatura digital, por un

convertidor A/D y con esta se alimenta a un controlador a través de una interfaz

con la finalidad de pasar la señal de voltaje a lenguaje de computadora (Código

Binario). La Temperatura digital se compara con la temperatura de referencia es

decir la temperatura de entrada programada; y ante cualquier discrepancia (Error),

el controlador envía una señal al Calefactor, a través de un amplificador, y

relevador, para llevar la temperatura del horno eléctrico al valor deseado, y

obtener de esta manera una operación satisfactoria.

El empleo de un amplificador es para aumentar la potencia puesto que

generalmente los procesos se realizan en pequeñas voltajes, bajas potencias.

El relevador o interruptor recibe señal de la computadora si se enciende o se

apaga; se apaga el relevador cuando obtenemos la temperatura deseada y

permanece encendido mientras no se llegue al valor.

2.5. Sistema de control de lazo cerrado: (“CLOSED LOOP”)

Con frecuencia se llama así a los sistemas de control retroalimentado. En la

práctica, se utiliza indistintamente la denominación control retroalimentado

(“feedback”) o control de lazo cerrado (“closed loop”). La señal de error actuante,

que es la diferencia entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede

ser la señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas), entra al

controlador para reducir el error y llevar la salida a un valor deseado. Esta


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retroalimentación se logra a través de la acción de un operador (control manual) o

por medio de instrumentos (control automático).

En el caso de control manual, para el ejemplo mostrado en la Fig. (1.1) el

operador mide previamente la temperatura de salida; si esta es por ejemplo,

inferior al valor deseado, aumenta la circulación de vapor abriendo levemente la

válvula. Cuando se trata de control automático, se emplea un dispositivo sensible

a la temperatura para producir una señal (eléctrica o neumática) proporcional a la

temperatura medida. Esta señal se alimenta a un controlador que la compara con

un valor deseado preestablecido o punto de ajuste (“set point”). Si existe una

diferencia, el controlador cambia la abertura de la válvula de control de vapor para

corregir la temperatura como se indica en la Fig. 2.4.

FIGURA 2.4: SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO

El término lazo cerrado implica el uso de la acción de control retroalimentado

para reducir el error del sistema.

FIGURA 2.5: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO


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2.6. Sistema de control de lazo abierto (“OPEN LOOP”)

Los sistemas en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control,

se denominan sistemas de control de lazo abierto (“open loop”). En otras

palabras, en un sistema de control de lazo abierto la salida ni se mide ni se

retroalimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo práctico lo constituye

una lavadora de ropa domestica. El remojo, lavado y enjuague en la lavadora se

cumplen por tiempos. La máquina no mide la señal de salida, es decir, la limpieza

de la ropa.

FIGURA 2.6: SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO

En cualquier sistema de control de lazo abierto, no se compara la salida con

la entrada de referencia. Por tanto, para cada entrada de referencia corresponde

una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la

calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto

solo se puede utilizar si la relación entre la entrada y la salida es conocida; y si no

se presentan perturbaciones tanto internas como externas. Desde luego, tales

sistemas no son sistemas de control retroalimentado, denominándose

frecuentemente sistema de control de alimentación directa (“feed foward”). Nótese

que cualquier sistema de control que funciona sobre la base de tiempos es un

sistema de lazo abierto.


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FIGURA 2.7: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO

El control de alimentación directa se esta utilizando de una manera muy

generalizada; sobre todo en el control por computadora. Los cambios en las

variables de entrada al proceso se miden y compensan sin esperar a que un

cambio en la variable controlada indique que ha ocurrido una alteración en las

variables. El control de alimentación directa es muy útil también en casos en que

la variable controlada final no se puede medir.

En el ejemplo ilustrado en la Fig. 2.6, el controlador de alimentación directa

tiene la capacidad de computar y utilizar el gasto medido de liquido de entrada y

su temperatura, para calcular el gasto de vapor necesario para mantener la

temperatura deseada en el liquido de salida.

2.7. Sistema de control de lazo cerrado versus de lazo abierto

Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado es que el uso de la

retroalimentación hace que la respuesta del sistema sea relativamente insensible

a perturbaciones externas y a variaciones internas de parámetros del sistema. De

este modo, es posible utilizar componentes relativamente imprecisos y

económicos, y lograr la exactitud de control requerida en determinada planta,

cosa que sería imposible en un control de lazo abierto.

Desde el punto de vista de la estabilidad, en el sistema de control de lazo

abierto la estabilidad es más fácil de lograr puesto que no constituye un problema

importante. En cambio en los sistemas de lazo cerrado, la estabilidad si es un

problema importante, por su tendencia a sobrecorregir errores que pueden

producir oscilaciones de amplitud constante o variable.

Hay que puntualizar que para sistemas cuyas entradas son conocidas

previamente y en los que no hay la presencia de perturbaciones, es

recomendable utilizar el control de lazo abierto. Los sistemas de control de lazo

cerrado tienen ventajas solamente si se presentan perturbaciones no previsibles o


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variaciones de componentes del sistema. Nótese que la potencia de salida

determina parcialmente el costo, peso y tamaño de un sistema de control. La

cantidad de componentes utilizados en un sistema de control de lazo cerrado es

mayor a la correspondiente a un sistema de control de lazo abierto. Así, entonces,

un sistema de control de lazo cerrado es generalmente de mayor costo y

potencia. Para reducir la potencia requerida por un sistema, es conveniente usar

sistema de lazo abierto. Por lo común resulta menos costosa una combinación

adecuada de controles de retroalimentación y alimentación directa, lográndose un

comportamiento general satisfactorio.

2.8. Control combinado de lazo abierto y lazo cerrado

La respuesta que emite el controlador hacia la válvula de control es el

resultado de solucionar una ecuación que relaciona las variables controlada y

regulada, y se designa generalmente como el modelo de proceso.

Es muy raro encontrar modelos y controladores perfectos, de manera que es

más conveniente utilizar una combinación de control de retroalimentación y

alimentación directa como muestra la Fig. 2.8. La configuración de un controlador

que proporciona el punto de ajuste para otro controlador se conoce como control

en cascada.

FIGURA 2.8: CONTROL COMBINADO CON RETROALIMENTACIÓN Y ALIMENTACION DIRECTA

2.9. Sistemas de control adaptables (CONTROL ADAPTATIVO)

Las características dinámicas de la mayoría de los sistemas de control no

son constantes por diversas razones, como el deterioro de los componentes al

paso del tiempo, o las modificaciones en los parámetros o en el medio ambiente.


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Aunque en un sistema de control retroalimentado se atenúan los efectos de

pequeños cambios en las características dinámicas, si las modificaciones en los

parámetros del sistema y el medio son significativas, un sistema, para ser

satisfactorio ha de tener capacidad de adaptación. Adaptación implica la

capacidad de autoajustarse o automodificarse de acuerdo con las modificaciones

imprevisibles del medio o estructura. Los sistemas de control que tienen algún

grado de capacidad de adaptación (es decir, el sistema de control por si mismo

detecta cambios en los parámetros de planta y realiza los ajustes necesarios en

los parámetros del controlador, para mantener un comportamiento óptimo), se

denomina sistema de control adaptable.

En un sistema de control adaptable, las características dinámicas deben

estar identificadas en todo momento, de manera que los parámetros del

controlador pueden ajustarse para mantener un comportamiento óptimo. (De este

modo, un sistema de control adaptable es un sistema no estacionario). Este

concepto resulta muy atractivo para el diseñador de sistemas, ya que un sistema

de control adaptable, además de ajustarse a los cambios ambientales, también lo

hace ante errores moderados del proyecto de ingeniería o incertidumbres, y

compensa la eventual falla de componentes menores del sistema, aumentando,

por tanto, la confiabilidad de todo el sistema.

2.10. Sistemas de control con aprendizaje (INTELIGENCIA ARTIFICIAL)

Muchos sistemas de control que aparentemente son de lazo abierto, pueden

convertirse en sistemas de lazo cerrado si un operador humano se considera

como un controlador, que compara la entrada y la salida y realiza las acciones

correctivas basadas en la diferencia o error.

Si se intenta analizar tales sistemas de control de lazo cerrado con

intervención humana, se encuentra el difícil problema de plantear ecuaciones que

describan el comportamiento del operador humano. En este caso uno de los

muchos factores que lo complican, es la capacidad de aprendizaje del ser

humano. A medida que este va adquiriendo experiencia, mejora como elemento

de control, y esto debe tomarse en cuenta al analizar el sistema. Los sistemas de

control con capacidad para aprender, reciben el nombre de sistemas de control

con aprendizaje. En la literatura se encuentran avances recientes en aplicaciones

de control adaptable y con aprendizaje.


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