INTRODUCCIN AL CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOSInstituto Argentino de Automacin Industrialwww.automacion.com1.1 Definicin de control. Control automtico manual. Lazo abierto y cerrado.Entremos directamente por definir que es control: es la Tcnica (1 - Para algunos "el arte", para otros quizs ms acertados, por el desarrollo y metodologa que ha logrado, " la ciencia ".) de medir o detectar una condicin o situacin, compararla con el valor que de ella se desea tener, y a actuar en correspondencia a fin de reducir la diferencia entre ambas.Esta definicin, amplia de por s, es aplicable a infinidad de cosas que el hombre hace, o dice hacer; desde el control de trnsito, de natalidad, d contaminacin, de la evasin de impuestos, hasta el inventario y calidad de productos elaborados, son condiciones o situaciones que a algunos humanos les toca controlar.Algunas de ellas son de medicin bastante frecuente, como, cuando conducimos un automvil y otras ms espaciadas, como cuando verificamos nuestro estado financiero, mensual o anual.En las citas anteriores hemos supuesto que todo lo descrito se hace mediante el accionar de un ser humano, en tal caso el control es manual o humano.Si todas las tareas son efectuadas sin intervencin de un eslabn humano, el control es automtico.Pero ambos, como veremos, son en lazo cerrado (si el operador humano no se distrae).Consideremos el caso clsico citado de conducir un automvil: el conductor s: fija una pauta o valor deseado de su manejo. Velocidad, posicin deseada respecto a la banquina, o centro de la ruta; respeto a las seales, cortesa respecto a otros conductores; seguridad, manejo "prolijito" o combinaciones de ellos. Tomemos el simple caso de mantenerlo en una posicin relativa dentro de la carretera.La persona conduce, mira y compara en forma constante posicin del vehculo sobre el pavimento con su propia idea de una posicin segura; cuando sta no coincide con tal referencia, el conductor decide accionar sobre el volante para reducir el error.Esta descripcin la podemos ilustrar mediante el diagrama en bloques de la figura 1.1.

El operador humano no slo aporta (o propone) el valor deseado, sino que tambin mira (mide) la condicin controlada, compara, decide y acta sobre el sistema, constituyendo todos los bloques excepto el proceso mismo. Este es un caso particular de control (totalmente manual), que asigna al humano el medir, evaluar la situacin y el inicio de una accin correctiva para reducir la diferencia "entre lo que tenemos y lo que queremos tener".Recapitulemos, tambin en bloques, los verbos involucrados en el proceso de control y representados en la figura 1.2.

En l se aprecia, como en el anterior que la operacin forma un lazo cerrado. Le hemos agregado un verbo-virtud, el de saber esperar, que luego lo justificaremos ms, cuando entremos en los conceptos de dinmica.Veamos otro ejemplo que nos permitir extendernos a otros conceptos. Sea el sistema de calefaccin de una casa de departamentos. Inicialmente operado a mano, en la parada y arranque de la caldera, sin posibilidad alguna de ajuste en cada departamento La tarea del encargado era muy criticada y el del departamento A, un ingeniero ingenioso, propuso hacerlo automtico, "el se encargaba". Puso un sensor de temperatura en su departamento. Este actuaba sobre un sistema de control, el que prenda y apagaba la caldera. Hasta se independizaban de las arbitrariedades del encargado y era automtico.

Mediante lo ilustrado en la Fig. 1.1.3 y su correspondiente diagrama en bloques sugerimos al lector que analice: Si se ha instalado un sistema de control automtico Si se mantiene la temperatura del departamento A Si se mantienen las temperaturas de los departamento B al F. Que ocurre si los chicos del departamento A abren las ventanas, un da de crudo invierno. Que si a las 11 viene la abuela y le pone una estufa a garrafa.Del anlisis propuesto deber surgir claro que el departamento A est en lazo cerrado y las perturbaciones (u) que afectan su temperatura tendern a ser combatidas por el sistema de control. En cambio los restantes departamento estn en lazo abierto, y su temperatura depender de la diferencia de situacin (balance de calor) con respecto al departamento A, que es el que se controla.Control en lazo abierto no es control. Toda variacin de las relaciones entre la variable que est bajo control y las que le suceden, definidas por los bloques que estn en lazo abierto; escapa a las posibilidades de la accin del sistema de control automtico.1. 2 Necesidad de los sistemas de control automtico.Siempre el objetivo final de un sistema de control automtico se encuentra fuera del sistema en lazo cerrado. En control de procesos ello es ms evidente. Es raro que el objetivo sea simplemente la variable directamente controlada, temperatura del departamento A en este caso. Salvo que estemos jugando a hacer control, o ms aceptable afn, mostrar que es control.En aplicaciones reales ms adelante de la variable directamente controlada se encontrar, en el proceso, el objetivo verdadero de un dado sistema de control, aunque est en lazo abierto, respecto a ese lazo. As podra decirse que atena o cancela, la entrada de algunas perturbaciones a las etapas subsiguientes y eso es todo lo que hace.En este ejemplo podra hablarse que buscamos lograr un ambiente confortable, aunque nada podemos hacer si alguien se queda con el sobretodo puesto.Con ello intentamos definir o justificar para que ponemos un sistema de control automtico.Luego deberamos clarificar frente a que o contra que lo ponemos.Se puede decir que si un sistema a ser controlado no tuviese perturbaciones y su accionar no incluyese una conducta dinmica, a control automtico le costara justificar su existencia.Respecto a la dinmica iremos gradualmente tomando conciencia de su importancia. Est asociada a la propiedad de saber esperar, mencionada anteriormente.Las perturbaciones son la fuente principal del estado activo de un sistema de control.Definiremos como perturbacin toda variable que entra al sistema en forma y magnitud arbitraria y que afecta o tiende a afectar nuestra variable directamente controlada. Luego deberemos mejorar esta definicin, por su equivalente cuando est bajo control, que es toda entrada que hace que la salida del controlador deba variar.La indicaremos con u, como en el diagrama de la Fig. 1.4, para ese caso sern perturbaciones la temperatura ambiente externa, aperturas de ventanas y hasta cambios en el poder calorfico del combustible empleado en la caldera.

Anticipemos la respuesta, un sistema de control automtico acta frente a las perturbaciones. Este "frente a que", es la esencia de la existencia de un grupo muy importante de sistemas de control automtico; los encargados de eliminar o reducir l efecto de las perturbaciones sobre la variable directamente controlada. Este es el caso tpico de la industria de procesos continuos diferencia de las llamadas industrias de transformacin.En la industria de procesos continuos la mayora de los productos se entregan a granel, en unidades de masa o volumen. La calidad se puede promediar al mezclarse. En una industria de en general la produccin es por unidades, automviles zapatos piezas en general. La calidad es estadstica por el conjunto de unidades; lo mejor en exceso de una no logra compensar lo que est en defecto fuera de la tolerancia.En los procesos continuos, las condiciones de proyecto, normalmente calculadas por balances estticos conducen a definir las condiciones operativas deseadas. Estas pretenden ser mantenidas "frente a" las perturbaciones y es tarea del sistema de control hacer retornar a la variable a la condicin especificada. A esta forma de controlar se la suele llamar "modo regulador", clasificacin que aunque arbitraria, ayuda a ubicar una actitud u objetivo del sistema de control.1.3 Un ejemplo industrial.Para ordenar nuestro mtodo de estudio e introducir la simbologa y nomenclatura, tomaremos un ejemplo ms industrial. Sea un intercambiador de calor para calentar el fuel oil que se enva a los quemadores de un horno o reactor, con sistema de alarma por baja temperatura.Una observacin real de la instalacin podra verse como la Fig. 1.5.

Su interpretacin en un diagrama de proceso podra ser de la forma indicada en la Fig. 1.6, pudiendo hacerse en forma ms simplificada, con normalizacin de representacin de equipos. Estos diagramas se los suele conocer en la jerga tcnica como P & I, ya que contienen las caeras del proceso y sus instrumentos.

Una versin ms resumida afn, para lo que podra llamarse un esquema o diagrama de control seria la indicada en la Fig.1.7.

Para las que deben entrar ms en detalle de los componentes y el montaje, se suelen usar las llamadas hojas de lazo, que serian aproximadamente as como lo indica en la Fig. 1.8.

Los distintos esquemas indican que: El sistema de medicin de temperatura es a bulbo de carfluida. El transmisor de temperatura y la vlvula de control estn en la planta. El controlador, el registrador y el transmisor de temperatura son neumticos. El controlador es indicador y est instalado en el frente del tablero. El registrador es separado y est en el frente del tablero. Dentro del tablero hay un contador accionado neumticamente que cierra el contacto cuando la temperatura transmitida est por debajo de cierto valor. Esta condicin de alarma es indicada en el frente del tablero por un indicador visual (generalmente asociado a otro acstico). La funcin registro y la funcin control son independientes.La tecnologa actual de los componentes hace que un diagrama de control (Fig. 1.7) puede no reflejar los cambios de estructura que s se apreciarn en el de lazo (fig. 1.8). As al presente la funcin controladora puede estar dentro del tablero, y an el trmino "dentro" puede ser errneo, ya que se debera decir, separado de la funcin de comunicacin con el operador, que es la interfase del frente del tablero, pues en ste residen slo los elementos de entrega de rdenes y recepcin de resultados.Para nuestro estudio, y an para la interpretacin de estas sutilezas, emplearemos los diagramas en bloques.Para el intercambiador en. cuestin podra ser como se ilustra en la Fig. 1.9.

Este diagrama en bloques, de carcter ms bien descriptivo de los elementos que constituyen el lazo ser sustituido por otro con una nomenclatura no totalmente oficializada en el pas, pero bastante cerca de ello.A lo largo de este texto usaremos la representacin mediante diagramas en bloques con la nomenclatura definida en la Fig. 1.10.

En ella hemos remarcado los elementos que constituyen el proceso o sistema controlado (N1, N2, Gp1..., Gp3) que es la parte que recibimos de los equipos a ser controlados, y los elementos que se incorporan (A, Gc, Gv, H) que constituyen el sistema controlador. El conjunto constituye el sistema de control.A Gv, la vlvula de control, la hemos marcado en forma intermedia ya que, aunque pertenece al sistema controlador por su concepcin, podr existir aunque no haya control automtico, como una vlvula manual.Veamos la correspondencia de los bloques y seales con los de la Fig. 1.5.H:elemento de medicin o retroaccin. Es el transmisor de temperatura. Parte de l es el elemento primario o sensor. Convierte la condicin del proceso (c) en una seal (b), interpretable por los restantes elementos del sistema controlador.A: elemento de entrada de referencia. Su funcin es generar una seal (r), interpretable por el sistema controlador en base a la dada por el operador (v), como expresin del valor deseado de la temperatura. Puede ser parte integrante de lo que se adquiere como controlador junto con Gc, I y el sumador. Constituye con I parte de la interfase hombre-sntoma. Si el valor deseado es generado por otro componente no-humano, puede no estar presente.S: sumador o detector de error. Es el componente que efecta la comparacin entre el valor de referencia (r) y la seal de medicin o retroaccin (b) mediante una simple resta de las seales.Gc: controlador propiamente dicho. El TC en la Fig. 1.7. Es el elemento inteligente que decide actuar y al que debemos ensearle como hacerlo, as como a saber esperar. Su entrada es la seal de error (e) del sistema de control. A l dedicaremos un captulo.Gv: elemento final de control. Este nombre deriva de que el sistema controlador empieza en el elemento primario, incluido en B y termina en Gv. Tpicamente es una vlvula que gobierna alguna forma de energa o materia que entra al proceso. En este caso el caudal trmino aportado por el vapor es la variable manipulada (m), en base a la seal actuante (m1).Gp1 y Gp2: elementos de proceso o sistema directamente controlado. En este caso el intercambiado; desde el caudal trmico admitido por la vlvula hasta la temperatura de salida del fuel-oil. Se lo desdobla en el nmero de bloques que sea necesario para su estudio. elemento de proceso o sistema indirectamente controlado. En este caso podr ser el sistema de combustin, en el horno o reactor mismo, dependiendo de cual variable indirectamente controlada (z) se considere como salida del sistema. No pertenecen al lazo cerrado, estn en lazo abierto.NI, N2: elementos de perturbacin. Son bloques integrantes del proceso que vinculan las variables de perturbacin (u) con la variable directamente controlada (c). Ejemplificando, una de las perturbaciones para la temperatura del fuel-oil puede ser el caudal del mismo, demandado por los quemadores. Ello cambia el balance trmico y afecta a la temperatura obtenida. Su bloque N estar constituido por las relaciones, propias del in intercambiador, que vinculan caudal con temperatura. El sumador indicado no existe fsicamente, slo refleja la relacin matemtica que los vincula, ya que las Gp y los N suelen tener muchas partes en comn. Mucho ms evidente ser este parentesco si tomamos otra de las perturbaciones como puede ser la presin del vapor antes de la vlvula.Tambin sern perturbaciones: la temperatura con que el fuel-oil entra al intercambiado;, la calidad del vapor; y la temperatura ambiente.El cambio del coeficiente de transferencia, aunque perturbe al intercambio, no es una seal de perturbacin; se constituir en un parmetro que cambia el valor de los coeficientes que definen al bloque Gp y N, y as ser un sistema de propiedades no constantes.I:elemento indicador. Es otro de los elementos de interfase con el operador, informa a ste del estado de la variable directamente controlada. Dada las limitadas posibilidades de los humanos de captar informacin sin dudas, o discusiones, su salida, lo mismo que la entrada (v), ser la posicin relativa de un ndice respecto a una escala o bien una expresin numrica.En la misma posicin del elemento I puede haber un elemento registrador (R). A las caractersticas antedichas se le agrega la propiedad de "memorizar en funcin del tiempo" los valores habidos de c , a diferencia del indicador que slo es instantneo.A la diferencia, observable por el operador, entre el valor deseado (v) y el de la variable directamente controlada (c) se lo llama desviacin del sistema. Muchas veces es totalmente equivalente al error (e).El diagrama as descrito es un sistema de control automtico en lazo simple. Ms adelante veremos otros que contienen ms de un lazo.

Cambios Tecnolgicos.Al describir los bloques anteriores hemos empleado en su descripcin, trminos como "puede ser integrante de...".Estas apreciaciones son cambiantes con los cambios tecnolgicos, y la instrumentacin de procesos industriales sigue una marcha acelerada de esos cambios.Hace 4 o 5 lustros al comprar un controlador ste inclua H, I, A y G c. Era especfico para una variable, y an se lo puede comprar.Luego arrib el controlador "universal" que incluya I, A, el sumador y Gc; fue el primero que no saba que variable estaba controlando. Luego redujeron su tamao frontal y le llamaron miniatura, nombre prematuro, porque luego se achicaron ms y se acabaron los adjetivos.Actualmente hay tendencias muy saludables, desde el punto de vista del operador, que han subdividido lo que puede llamarse interfase operador-sistema, A, I, R en el frente del tablero; junto con otras sealizaciones de condicin de alarma, cmaras de televisin y elementos de accionamiento del operador, como botoneras. Toda la parte inteligente (G c y asociados) con la que tiene que lidiar el instrumentista est aparte. Es en esto en que coinciden fabricantes norteamericanos y alemanes.En cambio en 1975 han aparecido otras tendencias que cambian por completo el aspecto de la sala de control. El operador se parece ms al piloto de un jet o a un operador de una sala de cmputos.Diagramas en bloque para este enfoque no tenemos an. El tiempo dir.CARACTERSTICAS DEL ESTUDIO.Luego de esta Introduccin, aunque todava no conocemos mucho del sistema, es conveniente efectuar algunas consideraciones sobre el conjunto de lo presentado.Los elementos del sistema controlador son especficamente construidos para la funcin que deben cumplir. Son conocidas sus caractersticas estticas y suelen serlo las dinmicas.En cambio los elementos del proceso, aunque han sido proyectos para una funcin especifica, intercambiar calor, destilar, producir una reaccin; muchas veces no han sido concebidas para ser controladas, ni tampoco se conocen sus propiedades dinmicas; se las ha dimensionado mediante clculos de balancee estticos.Ms adelante tendr ms sentido esta expresin al cuando se proyecta un proceso, se tiene en cuenta que ser controlado, y las conveniencias para facilitar el control, los resultados sern ms satisfactorios. Se podrn aplicar cambios que no afecten al objetivo del proceso pero que favorezcan su funcionamiento.De lo anterior surge que uno de los objetivos bsicos del estudio de control automtico, es lograr un conocimiento adecuado de la dinmica del sistema a controlar, para ponderar la dificultad de lograr sobre l un buen control y determinar cules son las condiciones que debe satisfacer el sistema controlador a tal objetivo. Esto lo haremos en forma gradual, transitando tanto el conocimiento como la metodologa del modo de trabajo propuesto.Nos extenderemos en el anlisis para conceptuar la importancia de cada propiedad, en mdulos de sistemas gradualmente ms complejos los que asociados podrn constituir los procesos reales.Haremos mximo uso de los mtodos grficos de interpretacin, vinculando la expresin grfica de cada caso, a naturaleza fsico y qumica que define los parmetros del elemento o sistema, y stos sern llevados a forma normalizada lo que ser base de analoga entre elementos o sistemas.Luego emplearemos mtodos de base emprica, vinculndolos a la interpretacin analtica que darn un respaldo al razonamiento para su uso en una planta industrial.1.4 lgebra de diagramas en bloques.El manejo de nuestros sistemas se lo conducir fundamentalmente mediante ecuaciones algebraicas.Para sistemas elementales resolver ecuaciones por las reglas algebraicas clsicas es simple. Pero independientemente de la complejidad del manejo, el uso de diagramas en bloques, entendemos que nos ayuda a apreciar, por inspeccin, la interrelacin entre variables y la influencia de los parmetros del sistema.Aqu los usaremos por ese motivo con ms libertad, y menos rigor, que su uso clsico; llegando a usarlo para ecuaciones temporales, en contacto con los recursos de clculo electrnico analgico; y llegando tambin a emplear reglas deducidas para diagramas de flujo.SMBOLOS Y REGLAS BSICAS.Los diagramas en bloques estn constituidos por tres smbolos bsicos combinados y desglosados en la Fig. 1.11.

En ellas se destacan: Bloques o elementos: Rectngulos que tienen una sola entrada y una sola salida (que es una caracterstica restrictiva de nuestro campo de estudio). El contenido del bloque tiene dos interpretaciones. Una, la descriptiva de los elementos o componentes que estn entre esa entrada y esa salida. As tienen una vinculacin directa con la naturaleza del sistema. La otra es indicar en el bloque la relacin matemtica que vincula ambas variables. Una modalidad europea es incluir una grfica que relaciona la entrada, normalizada, con la salida. La principal dificultad, hasta familiarizarse, es interpretar claramente dnde empiezan y terminan, en un dado anlisis. Sumadores: Crculos con dos entradas y una salida, siendo sta directamente la suma algebraica de las dos entradas segn los signos indicados junto oa cada entrada. Algunos son componentes de existencia fsica real; otros pueden ser simblicos, indicando slo la unin de trminos de funciones. Lneas o seales: Flechas que representan seales, donde se indica el sentido de marcha unilateral de la seal, informacin o accin. El elemento que la recibe no la modifica o consume, pudiendo "entrar" a muchos componentes sin ser por ello afectada (concepto de alta impedancia de entrada). Fsicamente son conexiones.Resumiendo, un diagrama en bloques nos proporciona en forma visual y simple un relato de los juegos de causa y efecto en el sistema, mediante las seales que entran y salen de sus componentes o elementos.Todo lo anterior lo usaremos en el campo real o dominio del tiempo y en el campo complejo o dominio de la frecuencia. Gradualmente captaremos estos conceptos.Reduccin del caso del lazo simple.Aunque an no conocemos bien el contenido de las relaciones funcionales que establece cada bloque, analicemos qu ocurre en el diagrama en bloques del lazo simple de control automtico, dado Fig. 1.10. operando algebraicamente en l podemos establecer las siguientes relaciones:

Vemos aqu una dependencia de c con v y u.Recordemos que las perturbaciones u suelen ser varias a travs de los distintos bloques n, en cambio v es nuestra nica expresin del valor deseado de la variable c.Esto es la expresin fundamental de un sistema de control automtico por retroaccin.El 1+ que aparece en el denominador es caracterstica de haber tomado la retroaccin negativamente; se verifica con facilidad como queda con realimentacin positiva.Observando los resultados de las expresiones entre corchetes y comparndolo con el diagrama en bloques de la Fig. 1.10, podemos decir que, para ambos: El numerador est definido por el producto de los elementos ubicados en el camino directo entre las variables relacionadas. El denominador est constituido por 1+ (si la retroaccin es negativa), 1- (si la retroaccin es positiva) y el producto de los elementos ubicados en el camino del lazo.

Valores convenientes de GLCV y NLCuSi nos plantesemos que debera hacer un sistema de control ideal surgiran como respuestas casi evidentes: Deben responder fielmente al valor deseado; No permitir que las perturbaciones afecten a la variable controlada.Esto se podra traducir en que el primer corchete debe tender a 1 y el segundo a 0. Con un mayor conocimiento de qu es cada bloque, volveremos a plantearnos estas necesidades al entrar al capitulo de lazo cerrado.Algunos ejemplos de diagramaRepresentando los corchetes de la ltima de las expresiones que relacionaba la variable c con v y u, tendremos el diagrama en bloques en la Fig. 1.12.

Para reforzar el concepto de retroaccin, y su presencia en diagramas en bloques, proponemos la resolucin de tres variantes del caso elemental, planteados en las figuras 1.13, 1.14 y 1.15.

Por otro lado, y en este caso a manera de ejercicio, se proponen los 1.16 a 1.19, cuya resolucin ser til en otras etapas. No deben ofrecer dificultades: procediendo con cautela, dndola nombre a cada variable.

Haciendo una observacin similar a la de la relacin fundamental, para la 1.16 diremos: El numerador sigue estando definido por el camino directo. El denominador es 1+ el camino del lazo interior ms el camino del lazo exteriorSugerimos formularse un planteo similar, en particular para la figura 1.19.Nota:Si cualquiera de las realimentaciones es de signo opuesto al indicado cambia el signo de los trminos donde sta tenga intervencin.1.5 Atributos de un buen control.Se puede dedicar un capitulo a plantear los criterios para juzgar los resultados del control, pero ahora plantearemos conceptualmente lo que se supone que debe cumplir un sistema de control:I) Debe ser estable:Indefectiblemente. Entendemos que un sistema es estable cuando para una entrada suficientemente acotada la salida es tambin acotada.El clsico ejemplo de la fsica de la bolilla sobre una superficie cncava, plana o convexa nos refrescar el concepto -estable, estabilidad indiferente o inestable, segn la figura 1.20.

Lo de suficientemente acotada, dicho antes, se interpreta mediante el caso A, o sea que no nos salgamos de la concavidad.Para control de procesos la nica condicin aceptable es la indicada como A. La indiferente debe ser tratada como Inestable, pues no nos deja margen de seguridad.

II) Debe ser preciso:Recordemos que precisin es un valor estadstico y no lo confundamos con exactitud.Exactitud es el grado de correspondencia con un valor verdadero, que se supone que existe. Su valor es absoluto.Precisin es el resultado de una sucesin de ensayos bajo las mismas condiciones, misma entrada, y se lo pondera mediante una curva que ilustra la dispersin de los resultados en base a su variancia. Su valor es estadstico.Podemos recurrir al clsico ejemplo de tener que comprar un arma entre dos, cuyos resultados se ilustran en la figura 1.21.

Normalmente nadie ha querido comprar el arma A. La Ala pesar de haber sido exacta (un centro) en un tiro, tiene una dispersin mayor. El valor medio tambin est cerca del centro. Es un arma ms exacta que la B. La B tiene un error apreciable. Pero la curva ser ms aguda y por lo tanto es ms precisa. Un buen tirador corregir la falta de exactitud (lo mismo que un buen instrumentista); pero no podr contra la falta de precisin.Para los sistemas de control de procesos, excepto que se trate de variables que representen en forma directa el control de calidad, como es el caso de variables llamadas analticas, lo importante es tener precisin. En las analticas tambin se requiere exactitud.Completamos el concepto con otro parmetro o propiedad, la repetibilidad. Podramos decir, aunque no est oficializada, que la repetibilidad es la permanencia de la precisin en el tiempo. La precisin se verifica en ensayos repetidos en un sucesin.La repetibilidad, en tal interpretacin, sera verificar la vigencia de esa caracterstica luego de semanas o meses de uso normal en planta.Lamentablemente no hay acuerdo si la caracterstica antes descripta es repetibilidad o reproducibilidad; pudindose tambin argumentar que por permanencia o no permanencia en el tiempo debe cambiar de nombre.No obstante para control es importante que los componentes que se empleen tengan esta virtud.Para demandar precisin a un sistema de control, para lograr que haya poca dispersin de sus valores, el producto de todas las ganancias estticas de los componentes del lazo debe ser alto. Ello define una mayor accin para pequeas entradas. Esto se contrapone a la estabilidad lo que quedar ms claro al tratar ese tema en un captulo especial y es una situacin de compromiso para los sistemas de control.III) Debe ser rpido:Podramos decir que no tarde mucho en recuperarse del efecto de una perturbacin. Aunque el modo de expresar el concepto es poco tcnico, de l surge que si queremos mayor velocidad de retorno a la condicin en que estaba antes de ser perturbado, debemos aplicar acciones correctivas ms fuertes.Acciones correctivas fuertes, sin "saber esperar" a que el proceso, por sus propiedades dinmicas responda a nuestra accin, conduce a un mal control que puede ser inestable.La bsqueda de ese tipo de soluciones es la tcnica fundamental del xito de un sistema de control.IV) El sistema controlador debe ser mucho ms rpido que el sistema controlado:Aunque no totalmente encuadrable en el concepto general que venimos considerando, esta es otra condicin importante dentro de un sistema de control.Podramos establecerla as: el tiempo que requiere el sistema controlador, desde que detecta un cambio en la variable directamente controlada, hasta que acta mediante la vlvula de control, debe ser despreciable frente al tiempo necesario para que esta accin se aprecia en la salida del proceso.Para esta condicin se. puede decir que afortunadamente, la mayora de los procesos de la industria qumica son lentos y ella se cumple con relativa facilidad.Esto nos permite el uso de sistemas de control operados con seales neumticas, lentas respecto a hidrulicas y elctricas.A medida que reduce su tamao la planta, mayores sern las velocidades relativas, y as en planta piloto y en escala de banco, los tiempos del proceso sern menores y por lo tanto, ser quizs necesario el empleo de medios elctricos.En una planta qumica de tamao industrial, con distancias medias entre el controlador y los elementos primario y final de control del orden de 80 mts. para cada uno, el control neumtico es satisfactorio, y no es correcto decir que el proceso demande control electrnico.V) Debe ser inteligente:Este titulo lo ponemos slo por armona con los anteriores.El grado de inteligencia que se incorpora a un sistema de control muy elaborado como mximo llega (asintticamente) al del que lo concibe. As no tendra limites fijos; y as puede ocurrir.Pero no entusiasmarnos con la perspectiva de divagacin. Basta recordar que estamos hablando de control automtico industrial No es un Hobby. Todo lo que se haga en control como en toda otra accin industrial tiene que tener una justificacin, entre ellas priman las econmicas y las de seguridad (lamentablemente en ese orden).Por ello sugerimos como planteo bsico, encarar el ms simple de los sistemas; si no da resultado, o se sabe que no ha dado resultado, buscar otra solucin ms elaborada.El sistema de control que venimos describiendo, se puede decir que acta por prueba y error, (ver fig. 1.2). Esta aclaracin la hacemos, pues desde que James Watt se arriesg con su regulador centrfugo, a bolas, por 1788; en 1962 surgieron otras propuestas de mejoras, hechas por calificados tecnlogos; pero argumentando que ese era un modo tonto de controlar.Eso era lo que aqu queramos dejar dicho, en este punto: No entusiasmarse ni menospreciar simple que funcione bien.

1.6 CARACTERSTICAS DE LOS SISTEMAS CONTROLADOS.Lo que resta del presente capitulo estar dedicado a los procesos, con la finalidad de definir sus caractersticas y as prever que dificultades se encontrarn en su regulacin o control (2 - Recientemente, la Comisin de Control Automtico del Instituto Argentino del Petrleo ha propuesto como sinnimos los conceptos Regular y Controlar y todas las formas gramaticales que de ellos deriven.), es decir cun difcil ser mantener las variables o magnitudes reguladas en sus valores deseados, frente a las perturbaciones o cambios de carga que las afecten. En sntesis un intento breve de estudio de la dinmica del proceso.En lo anterior hemos visto que, el proceso era representado por un bloque cuya seal de entrada era la variable manipulada (m), la que determina una variacin de la seal de salida, o variable que queremos controlar; pero que an no lo estamos haciendo, pues estamos actuando sobre l, en lazo abierto.Un mtodo clsico para el estudio de la dinmica es el de introducir una seal de estudio en forma de escaln, mediante el cambio brusco de la apertura de la vlvula de control, y registrar la seal de salida, que representa la respuesta del proceso, o simplemente, la respuesta.S aplicamos este mtodo al sistema de la figura 1.22, que representa un acumulador de seccin transversal A, al que llega un caudal Qe y del que sale un caudal Q1 por la vlvula que opone una resistencia R al pasaje del flujo. En la figura se han incluido tambin los resultados de tres ensayos de cambio de caudal de entrada de magnitud creciente y registrando el nivel como variable de salida, a esas seales.

Para una seal pequea sobre la vlvula se tiene el caudal Qe1, representado en la figura como un escaln desde Qe1 hasta ese valor. Para ese escaln la respuesta del nivel est caracterizada por una cierta velocidad inicial de cambio de nivel, que es precisamente la mxima de esa respuesta; y va luego decreciendo en esa velocidad de cambio hasta que se estabiliza en un valor; un nuevo valor esttico.Al repetir el ensayo con otros caudales, se obtienen curvas similares, y presentando ciertas proporcionalidades con los caudales de entrada.Es interesante observar que si se trazan las tangentes a cada curva, en el origen del ensayo, o sea que cuantificamos la velocidad inicial de cambio, encontramos que, prolongando estas rectas se cortan con la prolongacin de sus correspondientes nuevos valores estticos, todas en una misma vertical, o sea en un mismo tiempo, desde el inicio del ensayo.A ese tiempo se le llama Constante de Tiempo y es un parmetro caracterstico de las propiedades dinmicas del sistema de ensayo.Por el modo que la hemos obtenido, podramos definir a la constante de tiempo como "el tiempo que tardara en llegar al nuevo valor esttico, si conservase la velocidad inicial".Pero comparando los valores finales con los correspondientes al tiempo igual a la constante de tiempo, se observa una proporcionalidad tal que se puede redefinir: "la constante de tiempo es el tiempo en el cual la respuesta llega al 63,28 del cambio hacia su nuevo valor esttico". Adems se encuentra que la constante de tiempo (T) es igual al producto del rea (A)por la resistencia (R). Este modo de analizar la respuesta, que da base a analogas entre sistemas; el rea es la capacidad de recipiente, no su volumen, ya que trasunta el concepto elctrico de capacitancia; el nivel cambia una dada magnitud al entrar una dada masa, o "carga".Por ello, para este sistema hidrulico, T se medir en unidades de tiempo, A por ejemplo en decmetros cuadrados y R en decmetros por decmetros cbicos por segundo. As se concepta que la resistencia hidrulica representa, la diferencia de altura, o salto, necesario para provocar un dado caudal.En la figura 1.23 se muestra el caso de dos recipientes que teniendo el mismo volumen y la misma resistencia de descarga, pero distinta seccin, y por ende distinta constante de tiempo, y el de mayor seccin tendr un transitorio ms largo, o sea tardar ms en estabilizarse.

La tabla de final de capitulo, presenta distintos casos de capacidades y resistencias de varios sistemas y sus respectivas unidades.La respuesta obtenida tambin corresponde al cambio de temperatura de un termmetro que, estando por ejemplo a temperatura ambiente, es surgido de golpe en un liquido caliente, suponiendo que el termmetro no tiene vaina protectora. Similar respuesta se obtiene al pisar rpido el acelerador de un automvil y registrar el cambio del nmero do revoluciones del motor.A los procesos o sistemas que se comportan como el acumulador visto, o sus anlogos se los denomina procesos o sistemas de Primer orden, ya que la ecuacin diferencial que describe su respuesta es de ese tipo; tienen una sola constante de tiempo, o bien ella es dominante respecto a las posibles restantes.Adems este sistema presenta una propiedad que lo hace agradable para ser controlado; y ello es que tiene autorregulacin. Por tal se entiende la caracterstica que presentan algunos sistemas de comportarse como si ya contasen con un lazo propio de control. Esto est asociado a lo visto en el prrafo 1.4 cuando hablbamos de retroaccin.El acumulador, en lazo abierto y sin control, al aumentar el nivel, aumenta el caudal descargado; en cambio si el nivel desciende reduce la salida. Esta simple descripcin trasunta la idea de autocontrol. Es una propiedad de muchos sistemas de la naturaleza y tambin de los construidos por el hombre.Se presentan casos de sistemas que no tienen la propiedad antes vista de autorregulacin. Ello est presentado en la figura 1.24. El acumulador en este caso descarga un caudal que es in dependiente de la altura en l contenida. Se lo ha '.lustrado con una bomba, pudindose considerar como que es volumtrica, a engranajes si es necesario. En la misma figura se ha incluido la respuesta de nivel a un escaln de entrada en el caudal; se supone que antes de ello el caudal de entrada era igual al impulsado por la bomba.

Comparando )os grficos de estas seales se puede decir que el sistema es un "integrador puro". Para algunos autores esta caracterstica se denomina como carencia de autorregulacin. Quiz ms. propio seria llamarle autorregulacin neutra y, a la antes vista, positiva. Ello habilita la posibilidad de tener una autorregulacin negativa.Un sistema con tal caracterstica debera tener una conducta opuesta a la del acumulador de la figura 1.22, es decir que ante un cambio sostenido en su entrada la salida cambia en forma tal como si siguiese una parbola, o ms bien una exponencial divergente No lo hemos dibujado pues suele ser muy remanida su interpretacin mediante sistemas hidrulicos.Su existencia es lamentablemente muy real, y es conducta de reactores qumicos autotrmicos y de los atmicos. Son los ms difciles de controlar.Los tres casos vistos de autorregulacin positiva, neutra y negativa se corresponden directamente con los conceptos de realimentacin negativa, lazo abierto (sin realimentacin) y realimentacin positiva.Ellos son, con los conceptos vistos en 1.5, considerables respectivamente como estable, inestable e inestable.OTROS CASOSCuando en lgebra escribimos que y = k.x no prestando atencin a que x e y sean funciones temporales, hemos soslayado un punto importante en la dinmica de sistemas, los elementos llamados de orden cero. Su conducta se ilustra en la figura 1.25.

Tales son los procesos o elementos ultrarrpidos, para la capacidad del respectivo observador; tal seria el caso de un proceso que carece de capacidad, es slo una resistencia, lo contrario al de autorregulacin neutra que presenta slo una capacidad. Siguiendo con sistemas hidrulicos, en la figura 1.25, se representa una caera por la que fluye un producto marcadamente incompresible, y el cambio en la apertura de una vlvula se percibe ama distancia ms adelante en tiempo nulo, es decir sus parmetros dinmicos son depreciables.Si el fluido fuese real y apreciablemente compresible, la respuesta se ira asimilando a la del acumulador de primer orden. Este sistema no ofrece serios problemas para su control.Una conducta totalmente opuesta se aprecia en el sistema indicado en la figura 1.26; se la denomina demora. La ilustracin corresponde al caso de mezcla de dos productos (o del mismo) a distinta temperatura, detectando el resultado de la mezcla trmica, intencionalmente en forra distante aguas abajo del punto de mezcla, a una distancia D. Si la velocidad del fluido en la caera es V, el cambio trmico tardar un tiempo L igual a D/V, por ello a la demora se la suele llamar retardo de distancia - velocidad: pero su diferencia con la conducta de un sistema de primer orden, tambin llamado retardo de primer orden, es apreciable; aqul arrancaba con mxima velocidad, ste ignora totalmente lo ocurrido durante el periodo de la demora.

Suele ser ineludible en sistemas tubulares, hornos y reactores: tenerlo sin necesidad es un error tcnico que puede ser grave, ya que su presencia dificulta mucho un buen control, al recibir informacin atrasada, y debe volver a esperar la consecuencia de una accin correctiva. El mismo tipo de conducta se puede apreciar en una cinta transportadora cuyo nivel de carga se manipula.Para terminar con los casos individuales, veamos el de la llamada "respuesta inversa". hemos visto casos rpidos, lentos, ignorantes, que se van en forma persistente o bien que se disparan. Nos faltaba el mentiroso. Como se aprecia en la figura 1.27 su primordial dificultad es que inicia la desviacin para el lado opuesto al que realmente va derivar al transcurrir el tiempo. Es lo ms desconcertante que le puede ocurrir a un sistema de control que accione en base a la observacin de una dada variable.

En la ilustracin se ha empleado el caso de nivel de domo de una caldera, que es el ms comn de ese tipo de conducta: tambin se presenta en algunos lazos de columnas de destilacin.En la caldera el fenmeno se puede describir as; si se abre en forma rpida la vlvula que representa el consumo de vapor que. (para el caudal suministrado de agua en ese momento) har descender el nivel de domo pero, si el aumento de consumo va acompaado de un simultneo descenso de la presin, las burbujas contenidas en los tubos que retornan al domo se expandern, dando un volumen aparente mayor, y as el nivel inicialmente sube; dems est decir que un control de nivel, no conocedor de la situacin tender a cerrar la entrada de agua, en lugar de abastecer ms, como es necesario.COMBINACIONESLa mayora de los procesos reales resultan de alguna forma de combinacin de los aqu someramente descriptos, a veces con otro igual o similar a l mismo.Justamente, por ser un caso comn e importante, trataremos slo el de la combinacin de sistemas de primer orden.En la figura 1.28 se presenta el caso de un sistema trmico de primer orden y luego combinado para formar un sistema con dos constantes de tiempo, o de segundo orden. En ambas respuestas se supone un cambio brusco del vapor de calefaccin. La curva de respuesta, tpicamente en forma de S; indica que inicialmente sta se lentifica, por la lgica situacin de acumulacin- toma de un nivel trmico y traslado al otro recipiente mediante mezcla.

Si la variable de salida fuese nivel, la forma de curva seria del mismo tipo. Si agregsemos ms recipientes a continuacin, y siempre en el ltimo efectusemos la medicin de temperatura (o bien nivel); la curva seguir siendo en forma de S pero cada vez ms lentificada en su inicio, dando la sensacin de ser una combinacin con una demora. Esto motiva a que la respuesta de sistemas de orden elevado, o sea con mltiples constantes de tiempo, presente lo que se llama una demora aparente.Por lo dicho al tratar la demora, y la comparacin hecha aqu es evidente que, a medida que crece el orden de un sistema, crece la dificultad para su control.