1. SISTEMASAUTOMTICOS- SISTEMAS DE CONTROL -TECNOLOGA INDUSTRIAL II 2 BACHILLERATOLuis Miguel GARCA GARCA-ROLDN Dpto. de Tecnologa IES CAP DE LLEVANT - MAMa - 2010

2. Contenido Concepto de automatismo. Estructura de un sistema automtico. Entrada, proceso y salida.Descripcin de sistemas automticos sencillos. Problemas que resuelven los sistemas automticos y como stos mejoran la calidad de vida. Sistemas de bucle abierto y de bucle cerrado. Ejemplos. Elementos que componen un sistema de control: comparadores, reguladores, transductores yactuadores. Asociacin entre el sistema automtico y la representacin en esquema de bloques. Seleccin del tipo de sensor a utilizar para solucionar cada problema de deteccin. Autonoma para solucionar los problemas que vayan saliendo con rigor en los planteamientos. Bsqueda de las caractersticas de algunos sensores comerciales. Experimentacin con alguno deestos sensores. Transmitancia y realimentacin. Esquemas de bloques. Resolucin de ejercicios de simplificacin debloques de transmitancia. Estabilidad y respuesta de un sistema de control. La seal de error. Anlisis de la estabilidad de unsistema de control. Representacin grfica de la entrada y la salida de un sistema de control estable einestable, diferenciando e interpretando las diferentes curvas resultantes. Control analgico de sistemas. Controladores proporcionales, integrales y derivativos. El controladorPID. Montaje y experimentacin de sencillos circuitos de control.2CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 3. Sistemas Automticos de Control SISTEMA DE CONTROL es conjunto de elementos ligadosdinmicamente que actan coordinadamente paraconseguir gobernar un proceso mediante la manipulacindirecta o indirecta de las variables que intervienen en ste.SISTEMA DEProporcionan una respuesta sobre el CONTROLcomportamiento del propio sistemaIntentan conseguir que una mquina o procesoAUTOMTICOrealice sus funciones con la mnimaintervencin humana 3CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 4. Tecnologas de Control TECNOLOGASDE CONTROLson todos losprocedimientos y sistemas que permiten automatizarmquinas, aparatos y procesos de fabricacin4CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 5. Sistemas de Control: Variables (I) VARIABLE o SEAL de un sistema de control es cualquiermagnitud fsica variable que pueda ser utilizada paratransmitir informacin de forma continua. Normalmenteson elctricas.Internas Dependen del procesoVARIABLESde Entrada No dependen del procesoSegn su Influyen en el comportamientonaturaleza dinmico del proceso Analgicas Magnitudes fsicasDigitales Sistemas BinariosHbridasMicroprocesadores 5CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 6. Sistemas de Control: Variables (II)de estado Indican la situacin del proceso a partir de la que Internasse producir la evolucinde salida Indican la evolucin del proceso. Permiten medirVARIABLESde control Se pueden modificar para actuar sobre el proceso de Entrada perturbaciones Son imprevistos y no se pueden modificar6CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 7. Sistemas de Control: Esquema bsico VARIABLES INTERNASCOMPONENTE VARIABLES COMPONENTE INTERNASVARIABLES VARIABLESINTERNASINTERNASVARIABLESCOMPONENTE VARIABLESEXTERNASEXTERNAS7CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 8. Sistemas de Control: Ejemplos___EJERCICIO___ En un sistema formado por un circuito RC en el que el condensadoradquiere una determinada carga Q cuando se aplica una tensin deentrada V, explica el proceso de carga y descarga del condensador eidentifica las variables presentes. De estado: la carga inicial del condensador De salida: la intensidad, las tensiones y potencias en R y C De control: la tensin aplicada Perturbaciones: ruidoso cualquier variacin imprevista de la V de alimentacin debida a picos, la T, 8CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 9. Sistemas de Control: Ejemplos___EJERCICIO___ En un sistema formado por un depsito de agua con un aporte de aguaq1 sin control y otro aporte controlado q4 mediante electrovlvula x4. Laextraccin de agua q2 se realiza mediante una bomba que funcionamientras hay agua en el depsito o manualmente q3 mediante la vlvulax3. De estado: el nivel inicial del depsito h y la extraccin q2, que es independiente de ste. De salida: la variacin de altura del agua en el depsito en relacin de la mxima prevista. De control: la entrada q4 y la extraccin q3. Perturbaciones: se puede considerar la entrada q1 si su caudal no es controlable.9CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 10. Sistemas de Control: Tipos (I)SISTEMAS DECONTROLLAZO ABIERTO LAZO CERRADO Es el ms sencillo Es ms complejo pero ejerce mayor Una vez activado, ejecutan uncontrol proceso durante un tiempo prefijado Una vez activado el proceso, se independientemente del resultado analiza la salida de ste y si no obtenido.cumple una consigna programada el El dispositivo controlador nodispositivo controlador modifica las supervisa el resultado de la salida delentradas y mantiene el proceso proceso. activo hasta que la salida cumpla laconsigna.10CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 11. Sistemas de Control en Lazo Abierto Las variables de control se ajustan segn el comportamiento previsible del sistema. No hay relacin entre las entradas y la respuesta del sistema. Una vez activado, ejecutan un proceso durante un tiempo prefijado independientemente del resultado obtenido. El dispositivo controlador no supervisa el resultado de la salida del proceso. INCONVENIENTES Una perturbacin puede desestabilizar el sistema que evoluciona a respuesta indeseada Necesidad de conocimiento riguroso del proceso Controlador complicado y caro11CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 12. Sistemas de Control en Lazo Abierto:Ejemplo___EJERCICIO___ En un sistema formado por un depsito de aguacon un aporte de agua q1 sin control y otroaporte controlado q4 mediante electrovlvula x4.La extraccin de agua q2 se realiza mediante unabomba que funciona mientras hay agua en eldepsito o manualmente q3 mediante la vlvulax3. q1 Es necesario conocer perfectamente las variables de estado: el nivel inicial del depsito h y el caudal extradoDEPSITO por la extraccin q2, y establecer la previsin sobre la entrada q1. q2 Las variables de control a ajustar son la entrada q4 y laq3q4 extraccin q3 con las vlvulas correspondientes para no alcanzar el nivel mximo permisible ho.CONTROLADOR Si ocurre alguna perturbacin como por ejemplo una aportacin de agua de la entrada q1 no constante, el hosistema no reaccionar y pudiendo sobrepasar ho o incluso vaciarse.12CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 13. Sistemas de Control en Lazo Cerrado Hay una relacin entre las variables de entrada y la respuesta del sistema Se define una variable de referencia (Respuesta deseada) que indica cual debe ser la respuesta terica que debe conseguir el proceso. La respuesta del sistema es la que realmente se produce (salida) Un elemento comparador testea la diferencia entre la variable de referencia y la respuesta real del sistema y emite una seal hacia el elemento controlador (error) para que modifique las entradas cuando la diferencia salga del margen de tolerancia establecido. 13CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 14. Sistemas de Control en LazoCerrado: Ejemplo___EJERCICIO___ En un sistema formado por un depsito de agua conun aporte de agua q1 sin control y otro aportecontrolado q4 mediante electrovlvula x4. Laextraccin de agua q2 se realiza mediante unabomba que funciona mientras hay agua en eldepsito o manualmente q3 mediante la vlvula x3. Se trata de disear un sistema de control en lazo cerrado que corrija laperturbacin provocada por variaciones en la entrada q1. La variables de referencia ser el el nivel mximo permisible ho y la variable desalida ser el nivel del depsito real h. Dos detectores de nivel mandarn informacin a las vlvulas X3 (cuando se activeel detector superior) y X4 (cuando lo haga el inferior) para vaciar y llenar eldepsito, respectivamente. q1 q2ho COMPARADORh CONTROLADOR DEPSITOerror q3 q414CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 15. Funcin de transferencia FUNCIN DE TRANSFERENCIA o TRANSMITANCIA de unsistema de control es la expresin matemtica querelaciona la variable de salida con la variable de entrada. y(t)x(t) y(t) g(t)g(t) x(t) y(t) g(t) x(t) Representa el modelo matemtico que sigue el comportamiento del sistemaindependientemente de cmo est construido ste. Se representa en funcin de la variable o parmetro del cual depende el proceso;normalmente el tiempo, temperatura, presin,y(t)u(t) g(t) g(t) Rx(t)i(t)15CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 16. Diagrama de bloques (I) Un sistema de control se representa mediante sencillos diagramas de flujo en losque las variables son flechas cuya direccin indica el sentido de circulacin de laseal,y los diferentes elementos mediante figuras geomtricas(rectngulos, crculos,). Son los DIAGRAMAS DE BLOQUES.x(t) variablesx(t) y(t)= g(t)x(t)g(t) bloques bifurcadores comparadores16CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 17. Diagrama de bloques (II)x(t) y(t)g1(t) g2(t)g3(t)x(t)y(t)g(t)Bloques en seriey(t)= g(t)x(t)g(t)= g1(t)g2(t)g3(t) 17CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 18. Diagrama de bloques (III) y1(t)g1(t) y(t) x(t) g2(t) y2(t)x(t)y(t)g(t) Bloques en paraleloy(t)= g(t)x(t)g(t)= g1(t) g2(t) 18CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 19. Diagrama de bloques (IV) COMPARADORx(t) y(t) +g(t) e(t) - x1(t)Sistemas realimentadosh(t)g(t) es la funcin de transferencia del proceso sin realimentar y(t)=g(t)x(t)h(t) es la funcin de transferencia del bucle de realimentacin x1(t)=h(t)y(t) y(t)=g(t)e(t) Realimentacin negativa Realimentacin positivay(t) g(t) y(t)g(t)x(t) l g(t)h(t) x(t)l g(t)h(t) A veces se compara directamente con la salida sin actuar sobre ella. Entonces h(t)=1.19CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 20. Algebra de diagramas debloques (I) Transposicin de un punto de bifurcacin20CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 21. Algebra de diagramas debloques (II) Transposicin de un punto de suma21CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 22. Algebra de diagramas debloques (III)___EJERCICIO___ Reducir el diagrama de bloques de la figura.22CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 23. Algebra de diagramas debloques (IV)___EJERCICIO___ Reducir el diagrama de bloques de la figura.23CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 24. Algebra de diagramas debloques (V)___EJERCICIO___ Reducir el diagrama de bloques de la figura.24CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 25. Algebra de diagramas debloques (VI)___EJERCICIO (PAU UIB set 2010) ___ Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la funcin de transferencia Hque relaciona la salida Xout con la entrada Xin x1(t)x1(t)= xin(t)[ 1+ P1]xout(t)= xin(t)P3 x1(t) P2H = P3 - P2 (1+ P1)xout(t)= xin(t)P3 - xin(t) [ 1+ P1] P2xout(t)= xin(t)[P3 P2 P1 P2 ]25CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 26. Algebra de diagramas debloques (VII)___EJERCICIO (PAU UIB jun 2012)___ Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la funcin de transferencia Hque relaciona la salida Xout con la entrada Xin 26CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 27. Algebra de diagramas debloques (VII)___EJERCICIO (PAU UIB set 2011)___ Dado el siguiente diagrama de bloques, halla la funcin de transferencia Hque relaciona la salida Xout con la entrada Xin 27CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 28. Elementos de un sistemas de control (I) Dispositivos de entrada de rdenes: Binarios: Dan rdenesdel tiposi/no, verdadero/falso, activado/desactivadoLos principales son pulsadores, interruptores yconmutadores. Alfanumricos: Permiten introducir nmeros y/oletras. Los principales son teclados ypreselectores digitales. Dispositivos de entrada de informacin: Sonsensores y toman datos de las variables implicadasen el proceso (de estado y salidas) y se las envan ala unidade control.Haysensores detemperatura, presin, posicin, humedad, Dispositivos de salida de informacin: Sonindicadores para los operarios.Binarios: pilotos, sirenas, timbres,Alfanumricos: displays de 7 segmentos, impresoras, pantallas crt, lcd, tft,Analgicos: indicadores de aguja,28CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 29. Elementos de un sistemas de control (II) Controlador: A partir de la informacin proporcionada por losdispositivos de entrada (sensores) establece como debereaccionar el actuador mediante rdenes. Muchas veces senecesita de acondicionadores de seal para adaptar lasseales de los sensores a las entradas de los controladores. Actuadores o accionadores: A partir de las rdenes delcontrolador actan sobre el proceso para modificar sucomportamiento. Pueden ser motores, calefactores,).Muchas veces se necesita de preactuadores para conectarlos controladoresalos actuadores:rels, contactores, vlvulas distribuidoras, variadores detensin, 29CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 30. Elementos de un sistemas de control (III)Control en lazo abiertox(t)y(t)CONTROLADOR ACCIONADORPROCESOControl en lazo cerrado COMPARADORx(t)y(t)CONTROLADORACCIONADOR PROCESO e(t)x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) 30CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 31. Elementos de un sistemas de control (IV)___EJERCICIO___ Disear un sistema para controlar la temperatura del agua de unacafetera. COMPARADORx(t)y(t) CONTROLADORACCIONADOR PROCESOe(t)x1(t)TRANSDUCTOR (SENSOR) Proceso: calentar el agua de un recipiente hasta una temperaturadeterminada, que viene dada por una referencia indicada por un termmetroexterior. Accionador: se usar una resistencia elctrica. Transductor: se usar un sensor de temperatura. Por ejemplo unatermoresistencia de platino. Comparador: tiene que comparar las temperaturas medida y de referencia. Eneste caso, el controlador incorporar esta funcin. Controlador: diseo electrnico31CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 32. ControladoresCOMPARADOR x(t) y(t)CONTROLADORACCIONADOR PROCESOGC GAGP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H Y GG CG AG PM MGC X l GH 1 G CG AG P HG A G P (1 MH) El diseo de un sistema de control automtico supone el diseo de un sistema que cumpla la funcin de transferencia M En la prctica se recurre a controladores estndar, cuya eleccin depende de la naturaleza del proceso a controlar y del nmero de parmetros ajustables que requiera. 32CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 33. Controladores: tipos Los controladores estndar tienen un comportamiento queresponde a un modelo matemtico bsico. Dependiendo de estepueden ser:PARMETROSCONTROLADOR IDENTIFICADORAJUSTABLESProporcionalP 1Proporcional derivativoPD 2Proporcional integralPI 2Proporcional integral derivativo PID333CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 34. Controladores: Respuesta de unsistemaA la hora de estudiar un sistema de control, se analiza su respuesta frente a seales conocidas y se asocia este comportamiento al tipo de error generado. La seales de entrada ms usuales son:Entrada en escaln Entrada en rampaEntrada parablica Es una variacin brusca Es una variacin lenta de Es una variacin lentade la referencia.la referencia.inicialmente y brusca La respuesta del sistema La respuesta del sistemadespus de la referencia.se interpreta como unse interpreta como un La respuesta del sistemaerror de posicin. error de velocidad. se interpreta como un error de aceleracin. 34CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 35. Controladores: Rgimen transitorio yRgimen permanente A la hora de analizar el funcionamiento de un sistema de control distinguiremos entre dos situaciones: El Rgimen Transitorio es el tiempo que transcurre desde que se da laorden de referencia hasta que el sistema responde con la respuestadeseada El Rgimen Permanente es el tiempo que transcurre mientras elsistema mantiene la respuesta deseada y se producen lascorrecciones necesarias para responder a perturbaciones o paramodificar el comportamiento de ste.La respuesta de un sistema ante unavariacin de la entrada de referencia(entrada en escaln) consiste en unaoscilacin respecto del valor a adquirirhasta llegar a la estabilidad35CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 36. Control proporcional: P (I) Consiste en un amplificador de ganancia variable y trata de ajustar la ganancia de la cadena directa. As se consigue una respuesta ms rpida ante una variacin de la referencia (entrada en escaln) aunque se tarda ms en estabilizarse. Se consigue mejorar el rgimen permanente aunque empeore el transitorio (necesario un compromiso).COMPARADOR x(t)y(t) ACCIONADORPROCESOKP GAGP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) HK PG AG P M1 K P G AG PH36CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 37. Control proporcional: P (II) A la diferencia entre el valor de referencia y la respuesta del sistema se le llama offset, interesa que sea pequeo y que una posible perturbacin no haga que aumente demasiado y que el sistema no sea capaz de corregirlo. Se puede establecer una banda de proporcional por encima y debajo del valor de referencia dentro de la cual la variable de salida ser proporcional a la desviacin del sistema respecto de la referencia, disminuyendo segn aumenta esta desviacin hasta el valor cero cuando la desviacin sea mxima. As llegaremos a la estabilidad.37CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 38. Control proporcional: P (III) Interesa que la banda no sea muy estrecha para que las oscilacioneslleguen a estabilizarse, pero tampoco muy ancha para que el offsetpermitido no sea muy grande.Banda proporcional estrecha Banda proporcional estrecha38 39. Control proporcional: P (IV)___EJERCICIO___ Explicar el funcionamiento de un sistema de control proporcional paracontrolar la temperatura del agua de una cafetera. Una vez definida la temperatura que interesa(referencia) podemos establecer un margen detemperaturas admisible (banda proporcional). El rgimen transitorio empieza cuando el calentadorempieza a calentar el agua. Lo har hasta el lmiteinferior de la banda. Entonces el controlador disminuir la intensidad delcalefactor hasta llegar al lmite superior de la banda. En este momento el controlador desconectar elcalefactor y la temperatura descender. Cuandollegue a la temperatura de referencia, el controladorvolver a conectar el calefactor. El retardo har que la temperatura aun descienda unpoco (pero dentro de la banda) para volver a subir. En este momento se producen algunas oscilacionesy se llega el rgimen permanente.39CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 40. Control proporcional derivativo: PD (I) En la accin proporcional, aumentar la ganancia hace que se consiga una respuesta ms rpida ante una variacin de la referencia (entrada en escaln) aunque se tarde ms en estabilizarse, mejorando el rgimen permanente aunque empeorando el transitorio. La accin derivativa representa que la salida responde tambin de forma proporcional a la velocidad de los cambios de la referencia (entrada en rampa), mejorando el transitorio y haciendo que el sistema alcance el rgimen permanente ms rpido y con menos oscilaciones. Matemticamente la funcin derivativa es una derivada de la velocidad de cambio de la referencia. x(t) y(t) dACCIONADORPROCESOKDGP e(t)dtGA x1(t)TRANSDUCTOR (SENSOR) H40CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 41. Control proporcional derivativo: PD (II) El controlador PD lleva a cabo una prediccin; conociendo cual ser la respuestadel sistema, intenta avanzarse. El controlador PD presenta dos grandesventajas: El sistema es menos oscilatorio graciasa la accin derivativa (mejora el rgimentransitorio) El sistema compensa mejor lasperturbaciones La principal desventaja es que la respuesta del sistema frente a un escaln es mayorque en el caso de los controladores P. Algunos controladores PD poseen una funcinmanual de reset (MR) para corregir manualmenteel offset 41CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 42. Control proporcional integral: PI (I) Se usa cuando interesa ms la capacidad de estabilizacin que la rapidez de respuesta. En la accin proporcional, al disminuir la ganancia empeora la respuesta ms rpida ante una variacin de la referencia mejorando el rgimen transitorio aunque empeorando el rgimen permanente. La accin integral mejora el rgimen permanente y elimina el offset que se produce con los controladores P y PD. Matemticamente la funcin integral es una integral de la velocidad de cambio de la referencia.COMPARADOR x(t) ty(t)ACCIONADOR PROCESOK I ...d(t)GAGP e(t) 0 x1(t)TRANSDUCTOR (SENSOR)H 42CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 43. Control proporcional integral: PI (II) El tiempo de integracin se ajusta segn las caractersticas de la carga, teniendo en cuenta que: Para una carga determinada, si el tiempo es demasiado corto se puede producir inestabilidad en la salida Si el tiempo es demasiado largo la respuesta del sistema y la eliminacin del offset son lentas El regulador PI funciona de la misma manera ante una perturbacin, mejorando el rgimen permanente. 43CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 44. Control proporcional integral derivativo:PID (I) Combinalastresacciones: proporcional, derivativo e integral, por lo que es vlido para controlar cualquier proceso. La accin proporcional reduce las oscilaciones en rgimen transitorio. La accin derivativa corrige los cambios producidos en la magnitud controlada durante el rgimen permanente como consecuencia de una perturbacin externa. La accin integral corrige el offset y ajusta el valor de la variable al la referencia.tde(t)KP e(t) K D K I ...d(t) dt0COMPARADOR x(t) y(t) ACCIONADOR PROCESO GA GP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR)H 44CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 45. Control proporcional integral derivativo:PID (II) El control automtico de procesos busca controlar la respuesta del sistema y le estabilidad del mismo. La respuesta en rgimen permanente (control continuo) ante modificaciones de las condiciones de funcionamiento, como cambios del valor de la referencia o variaciones en la carga. La respuesta en rgimen transitorio (arranque inicial). En ocasiones interesa llegar al valor de referencia lo antes posible prescindiendo de precisin, y en otra interesa ajustar la salida a la referencia aunque se tarde mucho en hacerlo. El usuario tendr que ajustar los valores del regulador PID para obtener la respuesta de control que lleve al resultado deseado. En la mayora de los casos, estos valores implicarn un compromiso entre las respuestas en los regmenes transitorio y permanente. Algunos controladores PID comerciales calculan automticamente estos valores; pero siempre tendremos que realizar los ajustes pertinentes. 45CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 46. Control todo/nada (I) El sistema de control se activa o desactiva cuando la salida del sistema se aleja o alcanza el valor de referencia, respectivamente. La salida del sistema de control slo puede adoptar dos estados: conectado o desconectado. Un ejemplo tpico de este tipo de control es una estufa con termostato.e(t) x(t) - x1 (t) c(t) 1 si e(t) x1 (t) c(t) 0 si e(t) x1 (t)COMPARADORc(t) x(t)y(t) ACCIONADORPROCESO GAGP e(t) x1(t) TRANSDUCTOR (SENSOR) H46CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 47. Control todo/nada (II) El control todo/nada tiene menos precisin en el ajuste de la variable al valor de referencia (rgimen permanente) y consume ms energa en la fase de arranque (rgimen transitorio). 47CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 48. Control todo/nada (III)___EJERCICIO___ Analiza y compara el control de un proceso para calentar un metal hastauna temperatura mnima de 200C, utilizando control todo/nada ycontroladores proporcionales.Rgimen permanente Con un controlador todo/nada la variableoscilar entorno a la referencia, por lo quetendremos que situar este punto por encimade 200C si queremos que el metal siempreest por encima de esa temperatura. Con un controlador PID podemos situar lareferencia en 200C ya que el PID ajustar eloffset y la salida a la referencia. Por tanto, el PID permite menor consumoahorrando energa.48CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 49. Control todo/nada (IV)___EJERCICIO___ Analiza y compara el control de un proceso para calentar un metal hastauna temperatura mnima de 200C, utilizando control todo/nada ycontroladores proporcionales.Rgimen transitorio Durante la fase de arranque y hasta que elmetal consigue latemperaturadereferencia, un controlador todo/nada aporta elcien por cien de la potencia. Con un controlador P se reduce la aportacinde potencia en cuanto se alcanza por primeravez el nivel inferior de la banda proporcional. Por tanto, el P permite menor consumoahorrandoenerga, ugenera menososcilaciones en la salida. 49CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 50. Transductores Transductores son dispositivos que transforman una magnitud fsica en otra magnitud fsica, normalmente elctrica, que est relacionada con la primera y sea ms fcilmente procesable. VARIABLE ENTRADASENSOR +ACONDICIONADOR +ETAPA DE SALIDA VARIABLE SALIDATransductor Convierte una magnitud Filtra, preamplifica y Rels, convertidores defsica en una seal trata la seal paracdigo, transmisores, etc.elctrica.adaptarla a la entrada Adaptan la seal a lade la siguiente etapa. entrada del comparador o controlador. 50CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 51. Transductores: clasificacin (I)Podemos hacer distintas clasificaciones:Activos o pasivos si requieren o no alimentacin.Analgicos, digitales o todo/nada segn la naturaleza de la seal generada.Dependiendo de la magnitud fsica que miden. Piezoelctrico de espesor De presin De temperaturaUltrasnico 51CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 52. Transductores: clasificacin (II)52CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 53. Transductores de posicinResponden con una seal elctrica que permite definir puntos en elsistema. Interesa conocer tanto su vida elctrica til como su vidamecnica til. A este grupo pertenecen: Microinterruptoresconmutados,normalmenteabiertos o normalmentecerrados. Pulsadores Finales de carrera pticos53CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 54. Transductores de proximidad (I)Responden con una seal elctrica cuando detectan un objeto en suproximidad, sin necesidad de contacto fsico. Normalmente se puedeajustar su sensibilidad para definir la distancia de deteccin. Existenvarios tipos: Inductivos: Su funcionamiento se basa en la variacin de un campomagntico. Consisten en una bobina que al ser recorrida por unacorriente produce un campo magntico cuyo flujo vara al acercarun objeto metlico como consecuencia de las corrientes que seinducen en l. La variacin de flujo se convierte en variacin deresistencia elctrica. Capacitivos: Su funcionamiento se basa en la variacin de uncampo elctrico. Consisten en una capacidad entre una placasensora y tierra que vara al introducir un objeto ya que lo hace eldielctrico. Magnticos pticos 54CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 55. Transductores de proximidad (II)55CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 56. Transductores de movimiento (I)Responden con una seal elctrica que depende de la distancia entredos objetos. Por tanto, miden distancias y realizan recuentos de piezas.Segn el principio de funcionamiento existen varios tipos: PRINCIPIO DETRANSDUCTORDISTANCIA FUNCIONAMIENTOLuminosoPropagacin de luz Pocos KmRdarPropagacin de OEMPocos KmUltrasnico Propagacin de ultrasonidos Pocos mPotencimetroVariacin resistencia elctricaPocos mRegla graduada Comparacin con escalaHasta 1mTransformador diferencialVariacin tensin elctrica Pocos mm56CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 57. Transductores de movimiento (II)Segn el tipo de movimiento a detectar pueden ser:TRANSDUCTOR MOVIMIENTOPotencimetro lineal, regla graduada, linealtransformador diferencial, medidor lserPotencimetro angular, medidor lser, encoders angular57CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 58. Transductores de movimiento:Potencimetro Es una resistencia variable cuyo valor depende de la posicin delcontacto mvil o cursor. Segn el movimiento del cursor pueden serlineales y angulares. Son sencillos. El mayor problema que plantean es el desgaste mecnico acausa de la friccin y la aparicin de arcos.58CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 59. Transductores de movimiento:Transformador diferencial Es un transformador formado por un primario dos secundarios y unncleo mvil. De manera que al desplazar el ncleo, vara su inductancia ypor tanto la tensin de salida. Tiene mucha sensibilidad ya que la inductancia vara mucho condesplazamientos mnimos del ncleo, por lo que se usa para medirdesplazamientos cortos. 59CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 60. Transductores de movimiento:Medidor lser Consiste en un emisor lser y un receptor del rayo reflejado en el objeto. Poniendo dos medidores se pueden medir tambin grosores (en serie) ydiferencias de nivel (en paralelo).60CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 61. Transductores de movimiento angular:Encoders o codificadores pticos (I) Proporcionan informacin sobre la posicin del eje de giro respecto de laposicin inicial. Estn basados en elementos pticos y la salida es unaseal digital. Existen dos tipos: Encoders incrementales: Una rueda agujereada gira de formasolidaria con el eje; una pareja de emisor receptor de luz determinansegn los agujeros si hay movimiento (mouse PC). Pueden medirposicin, movimiento y velocidad (ya que soportan regmenes de giroelevados). Encoders absolutos: Un disco dividido en sectores pintados enblanco y negro recibe la luz de 4 emisores, que es reflejada solo porlas zonas blancas; de manera que 4 receptores proporcionancombinaciones de 4 bits, generando diferentes cdigos: decimal,binario, BCD, Gray. Los encoders se usan en robtica para determinar la posicin de losbrazos robots, para cortar cable de una determinada longitud, paradeterminar las coordenadas de un plotter, para calcular laposicin, rotaciny velocidad de unamquinadecarpintera, empaquetadora, de carga, cintas transportadoras, etc.61CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORES TRANSDUCTORES 62. Transductores de movimiento angular:Encoders o codificadores pticos (II)62CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 63. Transductores de movimiento angular:Encoders o codificadores pticos (III)63CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 64. Transductores de presin (I) Miden la fuerza que por unidad de superficie se ejerce sobre un objeto.Existen diferentes tipos: Mecnicos: Determinan la presin por comparacin con la ejercidapor un lquido de densidad y altura conocidas. Son los mssencillos. Electromecnicos: Aaden a los anteriores un transductor elctricoque genera la seal elctrica correspondiente. Segn su principiode funcionamiento pueden ser: resistivos (la presin mueve uncursorsobre una resistenciabobinada),magnticos,capacitivos, extensomtricosopiezoelctricos (materiales como el cuarzo varan su resistenciaelctrica al ser presionados). Electrnicos: Son los ms precisos. pticos64CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 65. Transductores de presin (II)65CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 66. Transductores de temperatura Miden la temperatura de un objeto, lugar o proceso. Existen diferentesformas de medir temperatura dependiendo de si existe contacto o no entresensor y objeto:CARACTERSTICAFUNDAMANTOTIPOBimetalMecnicoExpansinMagnetismoCon contacto fsicoSemiconductorElctrico TermoparTermistorSin contacto fsico Trmico Pirmetro66CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 67. Transductores de temperatura: Termopares (I) Son dos metales de diferente naturaleza soldados en uno de sus extremos(unin caliente). Al tener diferentes potenciales de oxidacin se genera enla unin una pequesima diferencia de potencial que vara con latemperatura. Pueden ser de tres tipos:TERMOPAR CARACTERSTICAVENTAJASINCONVENIENTESExpuestosContacto directoRapidez de respuestaPoca duracin Alta inmunidad al ruido Funda en contacto y elctricoAislados unin calienteLentitud de respuesta Ausencia de masa aislada Larga duracinConectados Funda y unin enVelocidad de respuestaa masa contactomedia 67CONTENIDOSISTEMAS DE CONTROLELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 68. Transductores de temperatura: Termopares (II)68CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 69. Transductores de temperatura: Termistores (I) Son materiales cuyo valor de resistencia elctrica vara con latemperatura. Normalmente la variacin no es lineal sino exponencial.Existen bsicamente tres tipos: NTC: (Negative Temperature Coefficient). Su resistencia disminuye alaumentar la temperatura. Suelen usarse como proteccin deelementos semiconductores o como medidores de temperatura (serieo paralelo). B tR Ae A y B son ctes 69CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 70. Transductores de temperatura: Termistores (II) PTC: (Positive Temperature Coefficient). Su resistencia aumenta alaumentar la temperatura en la zona lineal, en las zonas 1 y 3 secomporta como un NTC. Suelen usarse como proteccin deelementos semiconductores o como medidores de temperatura (serieo paralelo).70CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 71. Transductores de temperatura: Termistores (III) Termorresistencias de platino: Su resistencia aumenta el aumentar latemperatura de forma lineal. Funcionan mejor para bajas temperaturasy son ms precisas. 71CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES 72. Transductores de velocidadSegn el tipo de velocidad a medir pueden ser:TRANSDUCTOR MOVIMIENTOTransductores de movimiento linealTacmetros, encoders angularLos tacmetros son dispositivos mecnicos o electrnicos capaces demedir la velocidad de giro de un objeto y expresarla en rpm.72CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOSCONTROLADORESTRANSDUCTORES 73. Fotoclulas (I)Son transductores formados por un emisor de luz y un receptorintegrados en un mismo cuerpo. Su funcionamiento se basa en laemisin de un haz de luz y la recepcin o no de ste para poder detectarmovimiento, presencia, diferencias de brillo, transparencias o medirniveles y distancias.73CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROLELEMENTOS CONTROLADORESTRANSDUCTORES 74. Fotoclulas (II)74CONTENIDO SISTEMAS DE CONTROL ELEMENTOS CONTROLADORES TRANSDUCTORES