Servos de Posición

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECANICAS ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA SERVOSISTEMAS DE POTENCIA FLUIDA Febrero 13 de 2015, Bucaramanga, Santander, COLOMBIA SERVOVÁLVULAS Y VÁLVULAS PROPORCIONALES EN CADENA CERRADA Servos de posición. Diego Fernando Camacho Gómez Cod. 2103071 Bucaramanga, Colombia INTRODUCCION El control automático ha desempeñado una función vital en el avance de la ingeniería y la ciencia, es una parte importante e integral de los procesos modernos industriales y de manufactura. Prácticamente, cada aspecto de las actividades de nuestra vida diaria está afectado por algún tipo de sistema de control. Los sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los sectores de la industria tales como control de calidad de los productos manufacturados, líneas de ensamble automático, control de máquina- herramienta, sistemas de transporte, sistemas de potencia, robótica, etc., aun el control de inventarios y los sistemas económicos y sociales se pueden analizar a través de la Diego Fernando Camacho Gómez Cod. 2103071 Bucaramanga, Colombia

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Servovalvulas de control de posicion

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECANICASESCUELA DE INGENIERIA MECANICASERVOSISTEMAS DE POTENCIA FLUIDAFebrero 13 de 2015, Bucaramanga, Santander, COLOMBIA

SERVOVLVULAS Y VLVULAS PROPORCIONALES EN CADENA CERRADA

Servos de posicin.

Diego Fernando Camacho GmezCod. 2103071Bucaramanga, Colombia

Diego Fernando Camacho GmezCod. 2103071Bucaramanga, Colombia

INTRODUCCIONEl control automtico ha desempeado una funcin vital en el avance de la ingeniera y la ciencia, es una parte importante e integral de los procesos modernos industriales y de manufactura. Prcticamente, cada aspecto de las actividades de nuestra vida diaria est afectado por algn tipo de sistema de control. Los sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los sectores de la industria tales como control de calidad de los productos manufacturados, lneas de ensamble automtico, control de mquina-herramienta, sistemas de transporte, sistemas de potencia, robtica, etc., aun el control de inventarios y los sistemas econmicos y sociales se pueden analizar a travs de la teora de control automtico. Debido a que los avances de la teora y la prctica del control automtico aportan los medios para obtener un desempeo ptimo de los sistemas dinmicos, tales como mejorar la productividad y eliminar muchas de las operaciones repetitivas y rutinarias, los ingenieros y cientficos deben tener un buen conocimiento de este campo.El propsito principal de un sistema de control de posicin es llevar un actuador hasta una posicin o serie de posiciones pre-programadas con precisin, ya sea mediante el movimiento lineal realizado por un cilindro o el movimiento giratorio realizado por un motor.Los actuadores son los elementos encargados de transformar las seales de control en esfuerzos de potencia. Tambin son los encargados de aportar la fuerza necesaria para producir el movimiento requerido por diversos automatismos.Otra definicin adecuada podra ser la de que los actuadores son todos aquellos elementos que intervienen en el control y cuya misin es realizar alguna funcin como respuesta a una necesidad del control (funcin de salida).En la actualidad diversos equipos industriales utilizan estos sistemas para cumplir con una funcin en especfico que requiera de este tipo de control, tal es el caso de los robots industriales (PUMA, KUKA entre otros) que incorporan un sistema de posicin controlada compacta mostrado en la siguiente figura, para ubicar un brazo robtico en las posiciones de trabajo programadas para cumplir con el propsito ya sea: Soldadura Corte Ensamble Taladrado Pintura entre otros.

IMPORTANCIA1. Los sistemas de control han sido de gran impacto para el desarrollo de nuestra sociedad ya que han permitido:Automatizar tareas humanas repetitivas, tediosas y/o peligrosas.Trabajar con tolerancias muchos menores, mejorando la calidad de los productos.Disminuir costos de produccin en mano de obra e insumos.Mejorar la seguridad de operacin de las mquinas y procesos.2. Los sistemas de control tienen vastas reas de aplicacin en:Industrias del transporte, incluyendo la aeroespacial; procesos qumicos y biolgicos; sistemas mecnicos, elctricos y electromecnicos; agroindustria, industrias de procesos y de manufactura; sistemas econmicos, polticos y sociales.3. Los encontramos en nuestra cotidianidad:Desde la nevera hasta el sistema de control de combustin electrnica de los automviles y as como en nuestro propio cuerpo: control de la temperatura corporal, presin arterial, equilibrio,...El simple acto de sealar con el dedo es un sistema de controlPara centrar nuestra investigacin, en esta unidad se trataran temas relacionados con los sistemas de control de posicin, algunas definiciones, clasificaciones, representaciones, los procesos de anlisis y particulares en general de este tipo de control.

APLICACIONES COMUNESROBOT INDUSTRIAL KUKAEn la figura de la izquierda se puede observar una lnea de ensamble de automviles que usa este tipo de robots para la fijacin y acabado del chass en donde cumplen la funcin de aplicar soldadura de punto para dar rigidez al mismo, en la figura de la derecha se observa otra otro de estos robots pero en este caso usado para realizar soldadura continua en una pieza.

SISTEMA DE MANIOBRA DE UN AVIN

En esta figura se pueden observar los diferentes alerones y estabilizadores que permiten la maniobra de un avin, estos sistemas requieren de una gran fuerza y precisin para su accionamiento, por tanto utilizan sistemas de potencia fluida controlados electrnicamente. Debido a que estos mecanismos son de gran importancia y criticidad en un avin, la calidad de los dispositivos hidrulicos es bastante alta, y representan en gran medida el precio de los aviones. En la mayora de los casos los aviones cumple su ciclo de servicio y son dados de baja debido a fallas en el fuselaje, mientras los dispositivos hidrulicos se mantienen en buen estado, por esta razn es comn que sean reutilizados para la fabricacin de nuevos vehculos areos.CONTROL DE POSICIN.Como ya su nombre sugiere, la finalidad de un sistema de control de la posicin es mover una carga hasta una cierta posicin o serie de posiciones.Puede ser el movimiento lineal efectuado por un cilindro o el movimiento giratorio realizado por un motor. En algunos casos, el movimiento giratorio puede convertirse en lineal utilizando un husillo de avance tal como se muestra en la figura.

Cuando se requieren niveles de precisin muy elevados, se utilizan normalmente accionamientos mecnicos, tales como husillos de avance o de bola. Si el paso de ste es de 5mm (0.2 in), es posible posicionar el motor con una precisin de 1 grado. La precisin lineal que puede conseguirse es 5/360: 0.014mm [0.005 in]. Para controlar el actuador se requiere una vlvula hidrulica que normalmente lo hace avanzar, retroceder o parar. Si se utiliza una vlvula de corredera deslizante, sta es bsicamente una vlvula de tres posiciones como puede verse en la figura.

El control de posicin se realiza mediante sistemas hidrulicos los cuales por medio de la recepcin de seales electrnicas permiten controlar el grado de apertura de la vlvula para regular la posicin del actuador, de tal manera que cuando el sistema encuentre la posicin deseada, el sistema de control enve la seal requerida para cerrar la vlvula y detener el movimiento del actuador, para este fin se utilizan dos tipos de vlvulas especiales: Servo-vlvulas Vlvulas de solenoide proporcional

Para un efectivo control de la posicin se deben tener vlvulas con ciertas caractersticas que mejoren tanto la precisin como la velocidad de respuesta del sistema: Sellos positivos que eliminen la posibilidad de fugas no deseadas Poco traslape para evitar la presencia de zonas muertas, o de ser necesario el traslape un sistema de control con ganancia variable que disminuya en lo posible esta zona sin respuesta. Retroalimentaciones internas que permitan controlar con precisin la posicin del carrete. Rigidez hidrulica para conseguir buena respuesta a la frecuencia en procesos cclicos.

Las vlvulas que presentan las mejores caractersticas para el control de posicin son las servovlvulas ya que renen las siguientes ventajas que las hacen la mejor opcin para sistemas que requieran de un control automtico de posicin para su funcionamiento: Dan tiempos rpidos de respuesta Traslape reducido (Aproximadamente cero) Buena linealidad ( relacin entre la seal de entrada y el caudal regulado) Presenta una histresis baja (menor al 1%) Tiene un sistema de realimentacin interna mecnica, que corrige independientemente la posicin del carrete segn la seal de entrada dada.

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO

El transductor de medir la variable fsica a controlar, en este caso la posicin del actuador, y suministra una seal de retroalimentacin que ser comparada de manera continua con la seal de comando. Al resultado de esta comparacin se le conoce como el error, el cual ser manejado por el controlador que enva una seal de control al actuador (servovlvula) permitiendo mover la corredera principal para dar paso al caudal y dar movimiento al cilindro principal.

En estos sistemas se puede contar con una amplia gama de transductores de posicin tales como, los transductores lineales, los LVDT (Linear Variable DifferentialTransformer), los encoder (posicin angular) y los transductores de inductancia variable, a continuacin de dar una breve explicacin de cada uno de ellos.TRANSDUCTORES DE POSICINUna caracterstica sobresaliente de un sistema en cadena cerrada es el hecho de que el estado de la variable controlada (en este caso la posicin), es realimentado al amplificador de control para una correccin automtica del error. Esto requiere de un dispositivo que convierta la posicin en una seal elctrica adecuada que pueda ser utilizada por el amplificador. Tal dispositivo se denomina transductor de realimentacin.Hay dos etapas para obtener una seal de realimentacin.En primer lugar, el transductor tiene que detectar la variable de salida y en segundo lugar, la seal del transductor debe acondicionarse para hacerla compatible con el amplificador de control. El condicionamiento de esta seal puede incluir: Amplificacin Separacin Demulacion (rectificacin) Conversin de tensin a corriente (o viceversa) Conversin de digital a analgico (o viceversa) Calibracin (adaptacin de escala)

La introduccin de circuitos electrnicos integrados permite el condicionamiento de la seal dentro del mismo transductor.Considerando un diagrama de bloques sencillo para un sistema en cadena cerrada, hay tpicamente dos caminos en el sistema.

El camino directo incluye el amplificador de la vlvula, la vlvula de control y el actuador. El camino de realimentacin incluye el transductor de realimentacin y su electrnica asociada.Cualesquiera errores o irregularidades que se presenten en el camino directo, tales como histresis, no linealidad o deriva de temperatura, son minimizados por la ganancia del amplificador de control y pueden eliminarse completamente utilizando un amplificador con una funcin integradora. Esta no es el caso en la derivacin de realimentacin, en la que cualesquiera errores de los componentes se reflejan directamente en el estado de la variable controlada. Los transductores de posicin digitales (lineales o giratorias) pueden, a su vez, dividirse en dos tipos: incrementales y absolutos. Los primeros originan una serie de impulsos para indicar la posicin relativa a un punto fijo dado. Estos impulsos se envan a un contador bidireccional y mediante la lectura de ste, puede establecerse la posicin relativa al punto dado. En la puesta en marcha, el contador debe ajustarse a cero, moviendo fsicamente un actuador hasta la posicin de referencia dada. El tener a cero cada uno de los actuadores, despus de una interrupcin en el suministro elctrico, puede resultar desventajoso en algunas aplicaciones, y de hecho puede no ser posible en ciertos casos.Consideraciones sobre los transductoresComo ya se ha mencionado Un transductor de realimentacin es el componente crtico para determinar el funcionamiento de un sistema en cadena cerrada. Cuando se selecciona un transductor adecuado para una aplicacin, deben tenerse en cuenta ciertas de sus caractersticas como se indica a continuacin: Linealidad Histresis Repetibilidad Deriva de temperatura Resolucin Rizado Velocidad de funcionamiento Respuesta dinmica Instalacin Duracin de espera

TRANSDUCTORES DE POSICIN

TRANSDUCTOR LINEALConsta de un elemento resistivo y un contacto mvil. La tensin de salida se obtiene a partir de la aplicada, midiendo en el punto de contacto mvil con respecto a uno de sus extremos. El cuerpo cuyo movimiento se desea medir se conecta al contacto. Los cambios producidos en la tensin de salida guardan una relacin lineal con los desplazamientos observados.

La mayor parte de las dificultades operativas de los potencimetros suceden en el punto de contacto entre el elemento mvil deslizante y la pista resistiva. El problema ms comn suele ser el polvo acumulado debajo del elemento deslizante que contribuye a un aumento de la resistencia medida y, consecuentemente, introduce un error adicional a la medida. Los movimientos veloces de la parte mvil pueden ocasionar rebotes, que provocan salidas elctricas intermitentes. La fuerza de friccin puede ser un problema cuando al potencimetro se aplican fuerzas del mismo orden de magnitud, ya que slo una parte de ellas se traducen en movimientos efectivos.

Un valor tpico de precisin para potencimetros es 1 % de fondo de escala. Existen modelos capaces de medir entre los rangos 2 mm, 1 m.Ficha tcnica

LVDTUn LVDT es un transformador que produce una tensin proporcional al desplazamiento de un ncleo ferromagntico (ncleo mvil), consta de un bobinado primario alimentado por una seal de C.A y dos bobinados secundarios.

Cuando el ncleo se desplaza al interior de estas bobinas genera voltajes inductivos en cada bobina secundaria proporcionales a su desplazamiento.Los dos bobinados secundarios estn conectados en serie y en fases opuestas de modo que la seal de salida es la diferencia entre estos voltajes, de tal forma que cuando el ncleo se encuentra en el centro las dos tensiones de las bobinas secundarias se anulan y el voltaje de salida es cero.VENTAJAS: Alta precisin. Alta resolucin. Larga vida. Resistencia a ambientes difciles. Fcil instalacin.

Ficha tcnica

Posicin giratoriaComo con los transductores de posicin lineal, los potencimetros pueden utilizarse para seales de posicin giratoria pero son susceptibles a desgaste mecnico o deterioro en algunas aplicaciones. El equivalente giratorio de un LVDT se denomina RVDT (rotary differential variable transformer) y su funcionamiento se basa en un principio similar, con la excepcin de que se utiliza una leva especialmente diseada en lugar de un ncleo de hierro. Es un transductor de posicin giratorio sin contactos.Una segunda clase de transductor sin contactos es el encoder ptico que est disponible en forma lineal o giratoria Ambos pueden ser de dos tipos: incremental o absoluto.

ENCODER

Los codificadores rotatorios (conocidos genricamente como encoders) son mecanismos utilizados para entregar la posicin, velocidad y aceleracin del rotor de un motor. Sus principales aplicaciones incluyen aplicaciones en robtica, lentes fotogrficas, aplicaciones industriales que requieren medicin angular, militares, etc. Un codificador rotatorio es un dispositivo electromecnico que convierte la posicin angular de un eje, directamente a un cdigo digital. Los tipos ms comunes de encoders se clasifican en: absolutos y relativos (conocidos tambin como incrementales). Los encoders absolutos pueden venir codificados en binario o gray. Dentro de los encoders incrementales, se encuentran los encoders en cuadratura, ampliamente utilizados en motores de alta velocidad y en aplicaciones en las que interesa conocer la direccin del movimiento del eje. El tipo comn de encoder incremental consiste de un disco solidario al eje del motor que contiene un patrn de marcas o ranuras que son codificados por un interruptor ptico (par led/fotodiodo o led/ fototransistor) generando pulsos elctricos cada vez que el patrn del disco interrumpe y luego permite el paso de luz hacia el interruptor ptico a medida que el disco gira. La resolucin de un encoder tpico es del orden de 1000 pulsos por revolucin. Desde un encoder incremental no se puede determinar la posicin angular absoluta del eje. Para poder determinar la posicin relativa a un punto de referencia (cero), el encoder debe incluir una seal adicional que genera un pulso por revolucin, denominada ndice.

Gua de seleccin rpida

TRANSDUCTORES DE INDUCTANCIA VARIABLESu operacin se fundamenta en la variacin que experimenta la autoinduccin de un arrollamiento, debido al cambio producido en el acoplo magntico entre el arrollamiento y un elemento mvil, generalmente ferromagntico.Estos transductores se clasifican en dos grupos: sistemas acoplados y sistemas libres de contacto. En los primeros, un ncleo magntico permeable se desliza por el interior de una bobina. El vstago sensible est sujeto al ncleo mvil el cual, al moverse, altera la autoinduccin del arrollamiento. Como se aprecia, el aspecto de los transductores de inductancia variable acoplados es muy similar al del LVDT, salvo que en este caso slo presentan un arrollamiento con dos tomas extremas y una central.

Los modelos libres de contacto se emplean con ms frecuencia que los acoplados. En el modelo simplificado de la siguiente figura, se aprecia el arrollamiento en torno al elemento central de un ncleo ferromagntico en forma de E. Esta bobina se excita con tensin alterna. El elemento mvil consiste en un plato ferromagntico muy prximo al ncleo. Su movimiento altera el patrn de lneas de campo magntico y, consecuentemente, provoca el cambio de la corriente que circula por la bobina.

SERVO MECNICO DE POSICIN En su forma ms simple un servo o servomecanismo es un Sistema de control que mide su propia salida y la forza a seguir de la manera ms rpida y exacta una seal de comando.

En la figura se puede observar que la palanca de control u otro acoplamiento mecnico se conecta a la corredera de la vlvula. El cuerpo de la vlvula est unido a la carga y se mueven conjuntamente. Cuando se acta la corredera, el fluido se dirige al cilindro o pistn para mover la carga en la misma direccin en que la corredera es actuada. El cuerpo de la vlvula sigue as a la corredera. El fluido contina pasando hasta que el cuerpo se centra con la corredera. El resultado es que la carga siempre se mueva a una distancia proporcional al movimiento de la corredera. Cualquier tendencia a desplazarse ms all invertira el caudal de aceite para situar la carga en su posicin inicial.Frecuentemente, esta unidad servomecnica se denomina multiplicador; el impulso hidrulico suministra fuerzas mucho mayores que la actuacin mecnica a la entrada, hoy con control preciso, del desplazamiento.Si hay una condicin de fuerza desequilibrada, el cilindro se acciona por este desequilibrio, y el brazo de realimentacin mover el cuerpo de la vlvula, con el cilindro, hasta que se corrija el desequilibrio. Quizs la aplicacin ms frecuente del servo mecnico es la direccin hidrulica. Algunas de las primeras direcciones hidrulicas fueron desarrolladas por Harry Vickers. La direccin hidrulica es hoy en da casi universal en autobuses de pasajeros y se utiliza muchsimo en camiones y otros vehculos pesados. Hay muchas variaciones en los diseos de las direcciones hidrulicas, pero todas ellas funcionan con el mismo principio.

Direccin Hidrulica

SERVO ELECTROHIDRULICO DE POSICINServovlvulasLas servovlvulas electrohidrulicas funcionan, esencialmente, enviando una seal elctrica a un motor par o dispositivo similar, que directa o indirectamente posiciona la corredera de la vlvula. La seal al motor par puede ser generada por un potencimetro corriente u otro dispositivo. Esta seal una vez aplicada a la servovlvula a travs de un amplificador, ordena a la carga que se desplace hasta una posicin determinada o que adquiera una velocidad deseada.

Servovlvula del tipo lengeta/boquillaEl amplificador recibe una seal de respuesta (realimentacin), dada por un generador tacomtrico, un potencimetro u otro transductor conectado a la carga. Esta seal de respuesta se compara con la de entrada (orden) y cualquier desviacin resultante se transmite al motor par como una seal de error, efectundose la correccin. Los distintos tipos de servos electrohidrulicos pueden suministrar un control muy preciso de la posicin o de la velocidad.

Existen diferentes tipos de servovlvulas tales como: SERVOVALVULA MFB (MechanicalFeedback)

Como su nombre lo indica este tipo de vlvulas realizan la retroalimentacin mecnicamente, por medio de un conjunto lengeta boquilla el cual, a pesar del desbalance producido al ingresar una corriente al motor de torsin que desbalancea las presiones retorna el spool a una posicin de equilibrio. SERVOVALVULA EFB (ElectricalFeedback)

Este tipo de vlvula, adems de contar con la retroalimentacin mecnica, cuenta tambin con un transductor, el cual entrega una seal elctrica de retroalimentacin para generar un error entre la posicin real y la posicin deseada.Control electrnico EFB

SERVOVALVULA D661

Control electrnico D661

VLVULAS PROPORCIONALESLas vlvulas proporcionales llenan el vaco existente entre las vlvulas con solenoides convencionales y las servovlvulas. Igual que las primeras, las vlvulas proporcionales son de diseo sencillo y relativamente fcil de mantener. No obstante, a diferencia de lo que ocurre con las vlvulas convencionales, pueden ocupar un nmero infinito de posiciones dentro de su intervalo de trabajo mediante el uso de un solenoide proporcional. Las vlvulas proporcionales poseen muchas de las caractersticas de control de las ms sofisticadas servovlvulas sin su complejidad de diseo y coste elevado. Se utilizan en aplicaciones que requieren un control preciso moderado del fluido hidrulico.

Vlvula proporcional tpica

Cuando se requiere un control ms preciso, puede unirse a la corredera un sensor de posicin que enva una seal a la conexin sumadora, que se compara con la seal original de mando. Este mejora mucho el funcionamiento de la vlvula.Como se muestra en el diagrama de bloques de la siguiente figura, la seal de entrada se enva primero al amplificador. A continuacin, el amplificador enva una seal de salida al solenoide que transmite una fuerza a la corredera de la vlvula proporcional, haciendo que se mueva. Entonces, un sensor de posicin, tpicamente un LVDT, mide el desplazamiento actual de la corredera. La seal de realimentacin (tensin) se enva a la conexin sumadora en el amplificador.

En esta conexin, la seal de realimentacin se compara con la seal de entrada. La diferencia entre las dos seales origina una seal de error que sale de la conexin sumadora y llega al amplificador de tensin. La salida amplificada al solenoide tambin vara para reflejar la nueva seal de error. Este lazo continua hasta que la seal de realimentacin se equilibra con la de entrada, y la corredera alcanza la posicin especificada.A continuacin se muestra un sistema electrohidrulico de posicin:

Circuito de regulacin con Servovlvula.

Circuito de regulacin con Vlvula Proporcional

El balance de fuerzas en el cilindro es obtenido cuando la seal de realimentacin del potencimetro es aproximadamente igual a la seal de entrada. Cuando el cilindro es de un solo vstago se tienen diferentes reas, as que para obtener un balance de fuerzas la vlvula debe incrementar la presin en un puerto y reducirla en el otro. Esto se puede lograr de las siguientes maneras:

Dejar que la seal de retroalimentacin se mantenga ligeramente detrs del valor requerido para generar el pequeo voltaje de error que es necesario para mantener la vlvula ligeramente fuera de centro.Cambiar el balance nulo de la vlvula de manera que el desbalance hidrulico necesario se obtiene con una entrada elctrica de cero.Con ambas soluciones el offset es muy leve. Debido a la ganancia de alta presin de la vlvula, el balance de fuerza puede ser obtenido con un movimiento de solo micro pulgadas del spool. La segunda solucin es recomendada porque no produce errores elctricos cuando el cilindro se encuentra en la posicin indicada. Con un error elctrica cero el amplificador tiene menos tendencia a la deriva y los errores del potencimetro son prcticamente nulos.

CARACTERISTICAS DINMICASEn las servovlvulas y en las vlvulas proporcionales, la corredera de la vlvula se auto posiciona mediante un mecanismo de control en cadena cerrada. Como se mencion anteriormente, para una vlvula proporcional, la seal de realimentacin proviene del sensor de posicin de la corredera, la cual se suma a la seal de entrada para determinar el error y corregirlo automticamente. En el caso de la servovlvula, la lengeta acta como conexin sumadora con la seal de entrada del movimiento de la armadura y la seal de realimentacin de la corredera principal.Es necesario tener en cuenta las caractersticas dinmicas de una vlvula examinando su respuesta a una entrada escaln o a una entrada que vara sinusoidalmente conocida como respuesta en frecuencia. Respuesta en frecuenciaSe refiere a graficar la respuesta dinmica de una vlvula a una seal de entrada sinusoidal, cuando esta seal vara a frecuencias muy bajas, la salida de la vlvula es capaz de seguir la seal de mando, cuando la frecuencia de la seal de entrada aumenta, el movimiento de la corredera es menos capaz de seguir con precisin la seal de entrada provocando que se genere un retraso de la seal de salida con relacin a la de entrada, adems de esto, el aumento de la frecuencia hace que la seal de salida no pueda alcanzar su valor mximo antes que la seal de entrada se invierta. El retraso entre las seales de entrada y salida se denomina desfasaje, el nivel reducido de salida conseguido a frecuencias mas elevadas recibe el nombre de atenuacin.

A bajas frecuencias, el desfasaje es relativamente pequeo, pero aumenta cuando la frecuencia de entrada se hace mayor, debido a ello, esta es una de las caractersticas que define a una vlvula de control, su frecuencia limite, es la frecuencia a la que el retraso de salida con relacin a la entrada es de 90 o de de ciclo. Esta frecuencia viene afectada por la presin de suministro y por la amplitud de la seal de entrada, es importante, cuando se comparan vlvulas asegurarse de que estos parmetros sean los mismos.

En la figura se puede observar los datos de respuesta a la frecuencia de una servovlvula, en la cual la frecuencia de a 90 es de aproximadamente 50 Hz, es importante resaltar que si una vlvula tiene una valor de frecuencia ms alto a 90 esa vlvula responder ms rpido que la vlvula a la que corresponde la figura.

Frecuencia NaturalEn muchas aplicaciones, se considera que el fluido hidrulico es incompresible, lo que no es completamente correcto puesto que cuando se presuriza se comprime de forma similar a un resorte.Todo sistema hidromecanico puede ser representado dinamicamente como un sistema masa-resorte, por lo tanto todos esos sistemas tienen una frecuencia natural y cualquier intento de operar el sistema a una frecuencia mas alta generara un comportamiento inestable del mismo. La ecuacin para calcular la frecuencia natural de un cilindro hidraulico se muestra a continuacin

Donde:

Los valores de y dependen de la posicin del pistn durante la carrera del mismo, de tal forma que la frecuencia natural del sistema varia de un mximo a un mnimo en algn punto de la carrera, como se puede apreciar en la siguiente figura, este valor mnimo alcanzado por la frecuencia natural es el valor critico utilizado para trabajar con el sistema. En la prctica, con tal que la relacin de reas del cilindro no sea demasiado grande y el volumen de las tuberas sea relativamente pequeo con relacin al volumen del cilindro, es suficiente suponer que este valor mnimo se presenta a mitad de la carrera.

SERVO ELECTROHIDRULICO VS SERVO MECNICO

El sistema de posicionamiento electrohidrulico tiene una gran rigidez. Puede mantener su posicin con poco error contra las grandes fuerzas aplicadas. La ventaja de este sistema sobre el seguidor mecnico es que los voltajes de los dispositivos tales como rels, interruptores de lminas, finales de carrera pueden ser sustituidos por una palanca de control simple. El msculo hidrulica todava seguir las tensiones de comando.

SISTEMA DE CONTROL DE POSICIONLa respuesta de un sistema de control de la posicin en cadena cerrada a un cambio de escaln en la entrada ya se ha discutido anteriormente y est resumido en la siguiente figura.

Efecto al incrementar la ganancia Un aumento de la ganancia del sistema tiene por efecto el reducir su tiempo de respuesta y, a partir de un cierto valor, hace que la respuesta sobrepase la seal de mando y que se produzcan oscilaciones. La ganancia del sistema (o constante de velocidad), es una medida directa de la velocidad que el sistema genera para corregir el error entre la seal de mando de entrada y las posiciones reales de la salida. Correccin de las Alteraciones con Control IntegralComo se dijo anteriormente, cuando el sistema se encuentra en estado estacionario existe un pequeo error, el sistema al tener un amplificador se comporta bsicamente como un control proporcional, lo cual significa que al existir un error generado por las anomalas de la vlvula (histresis, deriva de cero, etc.) o una perturbacin externa como una fuerza la seal de error debe aumentar, sea el cilindro se debe mover, para poder dar la salida requerida para la nueva condicin de equilibrio. Un aumento de la ganancia del sistema puede disminuir estos errores pero no los eliminara completamente y puede tener un efecto perjudicial por sobreimpulsos, tiempo de respuesta o estabilidad del sistema.

Control Proporcional con una Perturbacin

Para eliminar los errores estacionarios, puede aadirse un trmino integral al amplificador de la vlvula. Este trmino integral es la salida de un amplificador integral utilizado como generador de rampa. Una tensin constante a la entrada crea una tensin gradualmente creciente a la salida.

Control Proporcional Integral con una Perturbacin

La magnitud de la tensin de entrada determina la pendiente de la rampa de salida. Esta salida es proporcional a la entrada multiplicada por el tiempo. Si la entrada al generador de rampa o integrador es la seal de error en un sistema en cadena cerrada, un error estacionario genera una salida gradualmente creciente.

Utilizando un amplificador proporcional e integral, cualquier error estacionario en el sistema creara ahora una seal de accionamiento a la servovlvula, gradualmente creciente. La corredera se mover la suficiente para accionar el error y corregir el error.

Efecto del Control IntegralCuando el error se reduce a cero, la salida del integrador se nivela y se mantiene. En esta situacin, la seal de mando para mantener la vlvula equilibrada y contrarrestar la fuerza perturbadora esta siendo generada por la parte integral del amplificador, no por la proporcional.

CONTROL PID

Un controlador PID bsico se caracteriza por combinar tres acciones (P, I y D) mediante el siguiente algoritmo de control:

Donde:Accin proporcional (P): es la accin que produce una seal proporcional a la desviacin de la salida del proceso respecto al punto de consigna.Accin Integral (I): es la accin que produce una seal de control proporcional al tiempo que la salida del proceso ha sido diferente del punto de consigna.Accin derivativa (D): es la accin que produce una seal de control proporcional a la velocidad con que la salida del proceso est cambiando respecto del punto de consigna.Constante de tiempo integral (Ti): es el tiempo, generalmente expresado en minutos, que debe transcurrir para que la accin integral alcance (igual o repita) a la accin proporcional.Constante de tiempo derivativa (Td): es el intervalo de tiempo, generalmente expresado en minutos, en el que la accin derivativa adelanta a la accin proporcional.

Cada accin de control tiene una respuesta caracterstica:La accin proporcional vara instantneamente con el error y alcanza un valor estacionario cuando lo alcanza ste.La accin integral tiene en cuenta la historia pasada del error y se anula cuando se hace cero.La accin derivativa predice los cambios en el error y se anula cuando alcanza un valor estacionario.

Controlador PSe observa la conducta de la variable controlada despus de un salto en escaln unitario en el punto de consigna. Se observan los siguientes hechos caractersticos cuando aumenta la ganancia Kp del controlador: El error en estado estacionario disminuye. El proceso responde ms rpidamente. La sobreoscilacin y las oscilaciones aumentan.

Accin integral PIEsta accin elimina el problema del error en estado estacionario frente a perturbaciones de carga constante. Por ello se utiliza para determinar de forma automtica el valor correcto de u0. Adems se usa para corregir el error en rgimen permanente. Otra de las razones intuitivas que ayuda a comprender los beneficios de la accin integral es que, cuando se introduce, la existencia de un pequeo error durante un intervalo prolongado de tiempo puede dar lugar a un gran valor de la seal de control. El algoritmo de la accin integral es el siguiente:

Las propiedades de la accin integral se aprecian en la siguiente figura, donde la ganancia proporcional se mantiene constante y se vara el tiempo integral.

El caso particular en el que Ti es infinito corresponde con el control P. Al introducir la integral se observa lo siguiente:El error en estado estacionario se elimina cuando Ti tiene valores finitos.Cuando Ti disminuye (mayor accin integral) la respuesta se hace cada vez ms oscilatoria, pudiendo en ltimo trmino llegar a inestabilizar el sistema.Accin derivativa PD:Uno de los problemas del controlador PI y que limita su comportamiento es que solo considera los valores del error que han ocurrido en el pasado, es decir, no intente predecir lo que pasar con la seal en un futuro inmediato.La accin derivativa realiza ese tipo de compensacin, que se basa en introducir una accin de prediccin sobre la seal de error. Una forma sencilla de predecir es extrapolar la curva de error a lo largo de su tangente. El algoritmo de la accin derivativa es el siguiente:

El parmetro Td es el tiempo derivativo y puede interpretarse como un horizonte de prediccin. Al basar la accin de control en la salida predicha, es posible mejorar el amortiguamiento de un sistema oscilatorio. En la siguiente figura se puede observar las propiedades de un controlador de este tipo:

Se puede apreciar que las oscilaciones se amortiguan cuando se utiliza la accin derivativa. A medida que Td aumenta la salida se va aproximando cada vez ms a una exponencial.Una desventaja importante de la accin derivativa es que hay que ser cuidadoso a la hora de escoger el valor del tiempo derivativo. En las industriales es frecuente desconectar la accin derivativa (hacer Td=0).Un ejemplo es el caso de procesos multicapacitivos, como puede ser el control de temperatura. Debido a la inercia del sistema es importante saber hacia dnde se est evolucionando. La accin de calentamiento tiene que pararse a tiempo. Una conduccin lenta de calor puede significar que, incluso despus de desconectar el sistema de calentamiento, la temperatura contine aumentando durante mucho tiempo. Durante este periodo la temperatura puede sobrepasar considerablemente su punto de consigna si no se ejerce una accin de control cuidadosa. Otro ejemplo donde es importante predecir el error es cuando hay grandes retardos o tiempos muertos en el proceso. En esta situacin, desgraciadamente, la accin derivativa no suele dar una buena prediccin y hay que utilizar controladores especficos (basados en el predictor de Smith o estrategias de control predictivo) para solucionar el problema. Si no se tiene acceso a un controlador de este tipo, en estos casos es mejor utilizar un controlador PI.

Controlador PID.Combina en un nico controlador la mejor caracterstica de estabilidad del controlador PD con la ausencia de error en estado estacionario del controlador PI.

Ajuste emprico de controladores PIDDebido a su difundido uso en la prctica, se nombran a continuacin varios mtodos de ajuste emprico de controladores PID, basados en mediciones realizadas sobre la planta real.Estos mtodos, referidos como clsicos, comenzaron a usarse alrededor de 1950.Los mtodos clsicos de ajuste que presentaremos son:

El mtodo de oscilacin de Ziegler-Nichols. El mtodo de la curva de reaccin de Ziegler-Nichols. El mtodo de la curva de reaccin de Cohen-Coon.

El mtodo de oscilacin de Ziegler-Nichols.El mtodo de sintonizacin Ziegler-Nichols es un mtodo heurstico de sintonizar un controlador PID. Fue desarrollado por John G. Ziegler y Nathaniel B. Nichols. Se lleva a cabo mediante el establecimiento de lasganancias derivativa e integral a cero. La "P" (proporcional) de ganancia, K_p A continuacin se aumenta (de cero) hasta que alcanza el K_u ganancia final, en la que la salida del bucle de control oscila con una amplitud constante. K_u y el perodo de oscilacin T_u se utilizan para establecer el P, I, D y ganancias en funcin del tipo de controlador utilizado:

MtodoZieglerNichols

Tipo de Control

P--

PI-

PID

APLICACIONES DE SERVOS DE POSICINSERVO DE POSICIN Y DE VELOCIDAD ANGULAR

Este sistema utiliza un servomotor de alta velocidad y un tren de reduccin de velocidad acoplado a un volante de inercia, el cual lleva incorporado un sensor de posicin y otro de velocidad que llevan una seal de la posicin y velocidad real del volante a un sistema de control PID, permitiendo accionar el motor segn el valor del error del sistema y corregir el mismo dependiendo si se quiere realizar un control de posicin o velocidad.El sistema posee adems una interfaz grfica que permite al usuario variar las ganancias de control y observar el comportamiento del sistema en tiempo real.Las constantes para el sistema mostrado anteriormente fueron determinadas de manera experimental obteniendo los siguientes resultados:

En la siguiente grafica se puede ver el comportamiento del servo de velocidad, se observa que el comportamiento fue bastante bueno ya que se estabilizo de manera satisfactoria y sin oscilaciones, aunque el pico de sobre amortiguamiento su pudo haber reducido mediante un manejo correcto de la ganancia derivativa.

BANCO DE SERVOS DE POSICIN

El banco est conformado por dos cilindros verticales a los cuales estn sujetas unas masas, adems de esto se encuentran unos resortes en la parte superior dispuestos de esta manera para ser comprimidos e introducir una perturbacin al sistema.Un cilindro es controlado por una ServovlvulaMoog 62 y el otro controlado por una vlvula proporcional Vickers, ambos cilindros poseen un transductor de posicin. El sistema es controlado mediante un PLC S7-200 o mediante un microcontroladorArduinoATMega.

A continuacin se muestra el plano hidrulico, donde se puede observar que es igual a los circuitos propuestos en la literatura.

El anterior sistema se comporta como un sistema en lazo cerrado sujeto a una perturbacin, y su diagrama de bloques correspondiente se muestra a continuacin:

Para la obtencin de un modelo matemtico adecuado el sistema fue modelado de la siguiente manera:

A partir del modelo anterior se procedi a analizar cada componente con el objetivo de encontrar la ecuacin que modela el sistema donde se relaciona la fuerza hidrulica con la posicin:

El sistema fue modelado en simulink para poder conocer el posible comportamiento del sistema:

La respuesta a una entrada escaln se muestra a continuacin:

Se puede observar que el sistema se comporta de una manera satisfactoria y no presenta problemas para estabilizarse.

PRUEBAS Y RESULTADOSSe realizaron pruebas de escaln para la servovlvula y la vlvula proporcional mediante es uso de un PLC S7-200 y una tarjeta Arduino Mega 2560 con el fin de observar y comparar el comportamiento entre los dos elementos de control.Escaln a 10 [cm] con la servovlvula y el PLC S7-200

Escaln a 10 [cm] con la vlvula proporcional y el PLC S7-200

Escaln a 10 [cm] con la servovlvula y el Arduino Mega 2560.

Escaln a 10 [cm] con la vlvula proporciona y el Arduino Mega 2560.

Observaciones y ConclusionesEn general los dos controladores cumplen la funcin, pero es evidente que el funcionamiento del PLC supera al Arduino Mega, en exactitud y respuesta del sistema. Es importante saber que las adaptaciones realizadas en Arduino, muestran una mejora en la salida del sistema, pero la proveniencia de la seal (PWM), se refleja en el recuadro, PID Output, donde la onda maneja partes cuadradas y no es totalmente anloga. De los resultados anteriores se puede observar que la servovlvula responde de manera mucho ms rpida pero ambos muestran un comportamiento similar en la precisin, tambin se puede observar que la seal enviada a la vlvula proporcional es mucho ms estable que la seal requerida por la vlvula proporcional.

BANCO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE UNA TRANSMISION HIDROESTTICA

En este banco ubicado en el laboratorio de control automtico, se controla la velocidad de un motor hidrulico (acoplado a un volante inercial y a una bomba que simula carga para perturbar el sistema), por medio del control de la posicin de la placa oscilante de una bomba de pistones, para tal propsito se utiliza un actuador lineal que esta acoplado a la placa oscilante, el cual acta por medio de una servo-vlvula y un LVDT que sensa su posicin real, un sistema electrnico se encarga de recibir la seal de setpoint desde un ordenador y de enviarla a la servo-vlvula para fijar una posicin en el actuador, instantneamente el LVDT retroalimenta al controlador con una seal proporcional a la posicin del actuador.

Este sistema cuenta con dos retroalimentaciones para dar control a la velocidad, una se da mediante el LVDT que sensa la posicin de la placa de la bomba, y la otra se da por medio de un taco-generador que sensa la velocidad directamente del sistema.A continuacin se muestra un diagrama de bloques del sistema de control que esta implementado en este banco:

ESQUEMA DEL SERVO DE POSICIN

MQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS INSTRON

Esta mquina de ensayos, diseada para someter vigas a cargas cclicas hasta su falla, integra un sofisticado servosistema de control que se encarga de manipular dos variables, la posicin y la fuerza, para ello utiliza una servovlvula acoplada directamente a un actuador hidrulico de con un rea efectiva de 40.5 in^2 y una carrera total de 150 mm, generando as una fuerza total de aproximadamente 55 toneladas.El sistema usa una servovlvula para dar control tanto a la posicin como a la fuerza, debido a que este tipo de vlvulas presentan buenas caractersticas de linealidad y baja histresis, adems gracias a los finos mecanizados que presenta, el traslape es muy reducido, una caracterstica muy importante en el control de la posicin.A continuacin se muestra un esquema que presenta los principales lazos que controlan el equipo Instron:

Para el sistema de control de posicin se utiliza un transductor de posicin de resistencia variable lineal de alta precisin el cual esta acoplado directamente al actuador hidrulico y da en tiempo real una retroalimentacin al sistema de control.

Un sistema de control programado en LABVIEW recibe la seal del transductor y enva la accin de control adecuada para corregir el error. La interfaz grfica programada en LABVIEW est hecha para que el usuario interacte directamente con la mquina y el sistema de control, permitiendo as sintonizarla y de manera prctica encontrar las constantes de control (Kp,Ki y Kd).CIRCUITO DE CONTROL Y ADQUISICIN DE DATOS

PANEL DE CONTROL E INTERFAZ DEL USUARIO

APLICACIONES INDUSTRIALES MODERNASEl control automtico aplicado a los sistemas de potencia fluida ha permitido mejorar los procesos de manufactura, incrementando los tiempos de produccin y dando adems una flexibilidad que sin el automatismo no sera posible.Un buen ejemplo de ello son las prensas modernas usadas en el troquelado y el forjado, las cuales tienen la capacidad de realizar el trabajo que antes era hecho por varias prensas taradas a diferentes presiones y con fines de carrera ubicados a distintas posiciones, en donde la pieza era trasladada de maquina a mquina llevando a cabo preformas que llevaban al acabado final, actualmente este trabajo es capaz de realzarlo una sola prensa con control de posicin, velocidad y fuerza, la cual mediante la variacin de las seales electrnicas de entrada dadas a partir de un PLC u ordenador, puede variar su comportamiento automticamente para realizar diferentes operaciones de preforma a una misma pieza, llevando a cabo todo el trabajo ya sea de forjado o troquelado.A continuacin se muestran imgenes de algunas de las diferentes prensas que se encuentran en el mercado, que incorporan el control automtico para controlar su comportamiento:

PRENSAS TROQUELADORAS

PRENSAS DE FORJADO

Los sistemas de control de posicin en actuadores hidrulicos tambin son usados actualmente en sistemas de mecanizado CNC, en los cuales actuadores controlados electrnicamente mueven la mesa de sujecin de la pieza para dar el mecanizado deseado, ya sea fresado, truncado, torneado, taladrado, tronzado etc. Estos sistemas usan servovlvulas de alta calidad que de por si definen las tolerancias mnimas del sistema de mecanizado. Los centros de mecanizado actuados hidrulicamente se prefieren por encima de los actuados por tornillos de potencia gracias a su velocidad de respuesta y por ende velocidad de produccin.

CENTROS DE MECANIZADO ACTUADOS HIDRULICAMENTE