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ANTECEDENTES HISTORICOS DEL CONTROL AUTOMATICO

Carrera: Ingeniera Mecnica Y Elctrica

Cuatrimestre: Onceavo Cuat.

Materia: Control Automtico

Trabajo: Investigacin Sobre Antecedentes Histricos De Control Automtico Y Todo Lo Referente

Alumno: Vctor Lpez Vzquez

Profesor(A):M.C. Mara Alicia Lizbeth ngeles Vzquez

Fecha: 04/01/2014

INDICE:

Introduccin...2

Definiciones3

Antecedentes histricos.4

Composicin de un sistema bsico de control.5

Sistema de control..6

Qu es control automtico?.............................................................................................8

Clasificacin de los sistemas de control9

Controlando el proceso.12

-Seleccin de accin del controlador13

-Variaciones

-Caractersticas del proceso de controlabilidad..14

El control Si/No..16

Accin integral (Reset)...20

Conclusin...24

Bibliografa. 25

Introduccin:

El ser humano siempre ha buscado la creacin de herramientas y mquinas que le faciliten la realizacin de tareas peligrosas, pesadas y repetitivas. En los ltimos tiempos, la aparicin de mquinas altamente sofisticadas ha dado lugar a un gran desarrollo del campo de la automatizacin y el control de las tareas, aplicado ya en muchas mquinas que se manejan diariamente.

Los sistemas controlados han estado evolucionando de forma acelerada en los ltimos das y hoy en da pasan desapercibidos para mucha gente pues presentan pocos o ningn problema, las tcnicas de control se han mejorado a travs de los aos, sin embargo es muy importante que se conozca la teora bsica de control.

El control automtico desempea una funcin vital en el avance de la ingeniera y la ciencia, ya que el control automtico se ha vuelto una parte importante e integral de los procesos modernos industriales y de manufactura. Por lo cual la teora de control es un tema de inters para muchos cientficos e ingenieros que desean dar nuevas ideas para obtener un desempeo ptimo de los sistemas dinmicos y disminuir tareas manuales o repetitivas. Para introducirnos en el tema comenzaremos analizando el cuerpo humano, normalmente su temperatura permanece constante, cualquiera sea la temperatura del medio que lo rodea o la actividad que realiza; esto se debe a que tiene un complejo sistema de control de temperatura (control de regulacin), que entre sus mecanismos de termorregulacin tiene uno que lo hace transpirar cuando la temperatura sube o lo hace temblar cuando la temperatura baja. Adems, posee otro sistema (cuyo centro est en el cerebro) que controla sus movimientos musculares (control de posicin que le posibilita desarrollar sus actividades).

DEFINICIONES

CONTROL

El concepto de control est presente en diversas disciplinas (ingeniera, biologa, economa, sociologa, etc.), y si bien la palabra "control" implica fundamentalmente, mando, verificacin, regulacin, puede tener connotaciones particulares segn sea el campo de aplicacin. Se puede definir control como la manipulacin indirecta de las magnitudes de un sistema llamado planta a travs de otro sistema llamado sistema de control (http://linux0.unsl.edu.ar/~rvilla/c3m10/tema1.pdf)

AUTOMATIZACION

El trmino automatizacin se refiere a una amplia variedad de sistemas y procesos que operan con mnima, incluso sin intervencin, del ser humano. Un sistema automatizado ajusta sus operaciones en respuesta a cambios en las condiciones externas en tres etapas: mediacin, evaluacin y control.

Un sistema de control manipula indirectamente los valores de un sistema controlado. Su objetivo es gobernar un sistema sin que el operador intervenga directamente sobre sus elementos. El operador manipula valores de referencia y el sistema de control se encarga de transmitirlos al sistema controlado a travs de los accionamientos de sus s de los accionamientos de sus salidas.(http://www.quiminet.com/articulos/que-es-la-automatizacion-27058.htm)

Antecedentes Histricos

Primeros sistemas de control => Revolucin industrial a finales del siglo XIX y principios del XX. Componentes mecnicos y electromecnicos: engranajes, palancas, rels y pequeos motores. Inconvenientes: Armarios grandes y voluminosos, consumo elevado, baja vida til, stock de alto costo y no flexibles. A partir de los 50s comienza el uso de semiconductores. Mejoras: Sistemas de menor tamao y consumo, ms rpidos y menor desgaste. En los 60s General Motors solicita un sistema flexible y adaptable a losnuevos modelos de automviles. Simultneamente en la empresa Bedford Associates Inc. Desarrolla un prototipo de especificaciones: carcter reutilizable, fcilmente programable y mantenible por los tcnicos elctricos, implementacin mediante electrnica de estado slido y de buena interfaz con procesos industriales. En 1968 aparecen los primeros autmatas programables (APIs o PLCs) con CPU de varios integrados y memoria cableada y solo remplazaban los sistemas convencionales de rels. A partir de los 70s se incorpora el uso de microprocesadores mejorando las prestaciones originales: mejor interfaz con el usuario, manipulacin de datos, posibilidad de clculos matemticos, comunicacin con computadoras, etc. La evolucin continu con: mayor cantidad de memoria, instrucciones ms potentes, entradas numricas y analgicas, mayor concentracin de E/S por mdulo, mayor velocidad de ejecucin, mdulos de control continuo (PID, FUZZY), capacidad de autodiagnstico y distintos lenguajes de programacin. La tendencia actual es dotarlo de funciones especficas de control y de canales deComunicacin para comunicarse entre s y con computadoras. Se integra en un sistema, todas las funciones de produccin asistida por una computadora (CIM).

El sistema de control opera, en general, con magnitudes El sistema de control opera, en general, con magnitudes de baja potencia, llamadas seales y gobierna unos de baja potencia, llamadas seales y gobierna unos accionamientos que son los que realmente modulan la accionamientos que son los que realmente modulan la potencia entregada al sistema controlado

Los primeros sistemas de control surgen en la Revolucin Industrial a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Estaban basados en componentes mecnicos y electromagnticos, bsicamente engranajes, palancas y pequeos motores. Ms tarde, se masific el uso de contadores, rels y temporizadores para automatizar las tareas de control.

A partir de los aos 50 aparecen los semiconductores y los primeros circuitos integrados sustituyeron las funciones realizadas por los rels, logrando sistemas de menor tamao, con menor desgaste y mayor fiabilidad. O, con menor desgaste y mayor fiabilidad.En 1968 nacieron los primeros autmatas programables (PLC), con unidad central constituida por circuitos (PLC), con unidad central constituida por circuitos integrados.

A principios de los 70, los PLC incorporaron el microprocesador, logrando as mayores prestaciones, elementos de comunicacin hombre-mquina ms modernos, procesamiento de clculos matemticos y funciones de comunicacin, evolucionando en forma n, evolucionando en forma continua hasta el da de hoy.

Historia de la automatizacin:

El origen se remonta a los aos 1750, cuando surge la revolucin industrial. 1745: Mquinas de tejido controladas por tarjetas perforadas. 1817-1870: Mquinas especiales para corte de metal. 1863: Primer piano automtico, inventado por M. Fourneaux.1856-1890: Sir Joseph Whitworth enfatiza la necesidad de piezas intercambiables. 1870: Primer torno automtico, inventado por Christopher Spencer. 1940: Surgen los controles hidrulicos, neumticos y electrnicos para mquinas de corte automticas. 1945-1948: John Parsons comienza investigacin sobre control numrico. 1960-1972: Se desarrollan tcnicas de control numrico directo y manufactura computadorizada.

Objetivos de la automatizacin:

Integrar varios aspectos de las operaciones de manufactura para:Mejorar la calidad y uniformidad del producto Minimizar el esfuerzo y los tiempos de produccin. Mejorar la productividad reduciendo los costos de manufactura mediante un mejor control de la produccin. Mejorar la calidad mediante procesos repetitivos. Reducir la intervencin humana, el aburrimiento y posibilidad de error humano. Reducir el dao en las piezas que resultara del manejo manual. Aumentar la seguridad para el personal. Ahorrar rea en la planta haciendo ms eficiente. El arreglo de las mquinas. El flujo de material.

Composicin de un sistema bsico de control

Valor de referencia: es el valor ideal que se pretende obtener a la salida del sistema controlado. En un obtener a la salida del sistema controlado. En un sistema ms complejo, la salida es censada y comparada con el valor de referencia a fin de determinar la diferencia entre ambas para reducir el error de salida.

Controlador: Regula presiones, temperaturas, niveles y caudales as como todas las funciones asociadas como todas las funciones asociadas de temporizacin, cadencia, conteo y lgica.

Sistema: Es la combinacin de componentes que n de componentes que interactan para lograr un determinado objetivo. En este caso el sistema es el objeto a controlar.

Entrada del sistema: Es una variable que al ser modificada en su magnitud o condicin puede alterar el estado del sistema.

Salida del sistema: Es la variable que se desea controlar (posicin, velocidad, presin, temperatura, etc.).

Perturbacin: Es una seal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema. Si la perturbacin se genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que la perturbacin externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada.

Sensores o transductores: Captan las magnitudes del sistema, para saber el estado del proceso que se controla.

Sistema de control John P. van Gigch, en su libro Teora general de sistemas, dice:Una vez que un sistema est en operacin, debe controlarse; es decir, su operacin debe regularse de manera que contine satisfaciendo las expectativas y movindose en direccin de los objetivos propuestos. Las condiciones de un estado estable, como la que se encuentra en los sistemas fsicos, son irrealizables cuando se consideran las organizaciones humanas y los sistemas sociales. Ms bien, buscamos el progreso a travs de objetivos y alguna clase de autorregulacin, que depende de las caractersticas de los componentes del sistema y de su regulacin. "Informacin es control". Esta idea se le atribuye a Wiener, el padre de la ciberntica o de la "ciencia del control". Se le acredita a Wiener el logro de la teora matemtica que mostr que el control de sistemas es una funcin del contenido de informacin. Los sistemas de control son subsistemas de SISTEMAS ms grandes, y su objetivo es regular (controlar) el funcionamiento de estos ltimos. Por ejemplo: el "sistema de control de una canilla" regula un flujo de agua, y forma parte de un sistema ms grande, el "sistema canilla" (la canilla propiamente dicha), pero a su vez (el sistema canilla) forma parte de un sistema ms grande, el "sistema de distribucin de agua de la casa", el que a su vez forma parte de un sistema ms grande an, el "sistema de distribucin de agua de la ciudad"; otro ejemplo: el "sistema llave de control de la llama de una cocina de gas" regula un flujo de gas, y forma parte de un sistema ms grande, el "sistema cocina" (la cocina), que podemos considerarlo a su vez formando parte de un sistema ms grande an, como el "sistema de preparacin de comidas", o el "sistema de distribucin de gas de la ciudad", y as sucesivamente.En nuestro anlisis acotaremos el campo de estudio de los sistemas de control, centrndonos en los ingenieriles, que son los que controlan, a travs de seales portadoras de informacin (seales de referencia, de consigna, de realimentacin, de control, etc.) el correcto funcionamiento de sistemas ms complejos de los que forman parte. En particular nos interesan los sistemas de control que manejan informacin bajo la forma de seales elctricas, porque hoy son los ms usados (en la vida cotidiana, en la industria, como en los desarrollos de avanzada), y adems permiten plantear algunas generalizaciones transferibles a otros sistemas.Para analizar los sistemas de control utilizaremos los diagramas de bloques, en nuestro caso, posiblemente sea ms preciso hablar de "diagramas funcionales de bloques" (aunque es de uso corriente llamarlos simplemente "diagramas de bloques"), pues generalmente son la representacin grfica de las funciones que realiza cada elemento y de las seales (portadoras de informacin) que actan en el sistema (seales que en los diagramas representaremos con lneas llenas finas). En el diagrama funcional, los bloques representan sobre todo las funciones y no los componentes del sistema. Un diagrama funcional de bloques contiene informacin con respecto al comportamiento funcional, pero no contiene informacin respecto a la constitucin fsica del sistema. Por lo tanto, muchos sistemas dismiles no relacionados entre s, pueden estar representados por el mismo diagrama funcional de bloques. En los diagramas de bloques de sistemas de control, generalmente no se representan los flujos de materia y de energa, excepto en la ltima etapa (la salida del sistema) porque su representacin no interesa a los efectos del control.

El control automtico de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolucin industrial. El uso intensivo de la ciencia de control automtico es producto de una evolucin que es consecuencia del uso difundido de las tcnicas de medicin y control .Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas. El control automtico de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversin en equipo de control. Adems hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminacin de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado. La eliminacin de errores es otra contribucin positiva del uso del control automtico.El principio del control automtico o sea el empleo de una realimentacin o medicin para accionar un mecanismo de control, es muy simple. El mismo principio del control automtico se usa en diversos campos, como control de procesos qumicos y del petrleo, control de hornos en la fabricacin del acero, control de mquinas herramientas, y en el control y trayectoria de un proyectil.El uso de las computadoras analgicas y digitales ha posibilitado la aplicacin de ideas de control automtico a sistemas fsicos que hace apenas pocos aos eran imposibles de analizar o controlar.Es necesaria la comprensin del principio del control automtico en la ingeniera moderna, por ser su uso tan comn como el uso de los principios de electricidad o termodinmica, siendo por lo tanto, una parte de primordial importancia dentro de la esfera del conocimiento de ingeniera. Tambin son tema de estudio los aparatos para control automtico, los cuales emplean el principio de realimentacin para mejorar su funcionamiento.Qu es el control automtico?El control automtico es el mantenimiento de un valor deseado dentro de una cantidad o condicin, midiendo el valor existente, comparndolo con el valor deseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, el control automtico exige un lazo cerrado de accin y reaccin que funcione sin intervencin humana.El elemento ms importante de cualquier sistema de control automtico es lazo de control realimentado bsico. El concepto de la realimentacin no es nuevo, el primer lazo de realimentacin fue usado en 1774 por James Watt para el control de la velocidad de cualquier mquina de vapor. A pesar de conocerse el concepto del funcionamiento, los lazos se desarrollaron lentamente hasta que los primeros sistemas de transmisin neumtica comenzaron a volverse comunes en los aos 1940s, los aos pasados han visto un extenso estudio y desarrollo en la teora y aplicacin de los lazos realimentados de control. En la actualidad los lazos de control son un elemento esencial para la manufactura econmica y prospera de virtualmente cualquier producto, desde el acero hasta los productos alimenticios. A pesar de todo, este lazo de control que es tan importante para la industria est basado en algunos principios fcilmente entendibles y fciles. Este artculo trata ste lazo de control, sus elementos bsicos, y los principios bsicos de su aplicacin.

FUNCION DEL CONTROL AUTOMATICO.La idea bsica de lazo realimentado de control es mas fcilmente entendida imaginando qu es lo que un operador tendra que hacer si el control automtico no existiera.

La figura 1 muestra una aplicacin comn del control automtico encontrada en muchas plantas industriales, un intercambiador de calor que usa calor para calentar agua fra. En operacin manual, la cantidad de vapor que ingresa al intercambiador de calor depende de la presin de aire hacia la vlvula que regula el paso de vapor. Para controlar la temperatura manualmente, el operador observara la temperatura indicada, y al compararla con el valor de temperatura deseado, abrira o cerrara la vlvula para admitir ms o menos vapor. Cuando la temperatura ha alcanzado el valor deseado, el operador simplemente mantendra esa regulacin en la vlvula para mantener la temperatura constante. Bajo el control automtico, el controlador de temperatura lleva a cabo la misma funcin. La seal de medicin hacia el controlador desde el transmisor de temperatura (o sea el sensor que mide la temperatura) es continuamente comparada con el valor de consigna (set-point en Ingls) ingresado al controlador. Basndose en una comparacin de seales , el controlador automtico puede decir si la seal de medicin est por arriba o por debajo del valor de consigna y mueve la vlvula de acuerdo a sta diferencia hasta que la medicin (temperatura ) alcance su valor final .CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. Los sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abierto y a lazo cerrado. La distincin la determina la accin de control, que es la que activa al sistema para producir la salida. Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual la accin de control es independiente de la salida. Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la accin de control es enCierto modo dependiente de la salida. Los sistemas de control a lazo abierto tienen dos rasgos sobresalientes: a) La habilidad que stos tienen para ejecutar una accin con exactitud est determinada por su calibracin. Calibrar significa establecer o restablecer una relacin entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada. b) Estos sistemas no tienen el problema de la inestabilidad, que presentan los de lazo cerrado. Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comnmente sistemas de control por realimentacin (o retroaccin). Ejemplo 1Un tostador automtico es un sistema de control de lazo abierto, que est controlado por un regulador de tiempo. El tiempo requerido para hacer tostadas, debe ser anticipado por el usuario, quien no forma parte del sistema. El control sobre la calidad de la tostada (salida) es interrumpido una vez que se ha determinado el tiempo, el que constituye tanto la entrada como la accin de control. Ejemplo 2Un mecanismo de piloto automtico y el avin que controla, forman un sistema de control de lazo cerrado (por realimentacin). Su objetivo es mantener una direccin especfica del avin, a pesar de los cambios atmosfricos. El sistema ejecutar su tarea midiendo continuamente la direccin instantnea del avin y ajustando automticamente las superficies de direccin del mismo (timn, aletas, etc.) de modo que la direccin instantnea coincida con la especificada. El piloto u operador, quien fija con anterioridad el piloto automtico, no forma parte del sistema de control. EL LAZO REALIMENTADOEl lazo de control realimentado simple sirve para ilustrar los cuatro elementos principales de cualquier lazo de control, (figura 2).

La medicin debe ser hecha para indicar el valor actual de la variable controlada por el lazo. Mediciones corrientes usadas en la industria incluyen caudal, presin, temperatura, mediciones analticas tales como pH, ORP, conductividad y muchas otras particulares especficas de cada industria.

Realimentacin:Es la propiedad de una sistema de lazo cerrado que permite que la salida (o cualquier Otra variable controlada del sistema) sea comparada con la entrada al sistema (o con una entrada a cualquier componente interno del mismo con un subsistema) de manera tal que se pueda establecer una accin de control apropiada como funcin de la diferencia entre la entrada y la salida.Ms generalmente se dice que existe realimentacin en un sistema cuando existe una secuencia cerrada de relaciones de causa y efecto ente las variables del sistema.El concepto de realimentacin est claramente ilustrado en el mecanismo del piloto automtico del ejemplo dado.La entrada es la direccin especificada, que se fija en el tablero de control del avin y la salida es la direccin instantnea determinada por los instrumentos de navegacin automtica. Un dispositivo de comparacin explora continuamente la entrada y la salida.Cuando los dos coinciden, no se requiere accin de control. Cuando existe una diferencia entre ambas, el dispositivo de comparacin suministra una seal de accin de control al controlador, o sea al mecanismo de piloto automtico. El controlador suministra las seales apropiadas a las superficies de control del avin, con el fin de reducir la diferencia entre la entrada y la salida. La realimentacin se puede efectuar por medio de una conexin elctrica o mecnica que vaya desde los instrumentos de navegacin que miden la direccin hasta el dispositivo de comparacin.Caractersticas de la realimentacin.Los rasgos ms importantes que la presencia de realimentacin imparte a un sistema son: Aumento de la exactitud. Por ejemplo, la habilidad para reproducir la entrada fielmente. Reduccin de la sensibilidad de la salida, correspondiente a una determinada entrada, ante variaciones en las caractersticas del sistema. Efectos reducidos de la no linealidad y de la distorsin. Aumento del intervalo de frecuencias (de la entrada) en el cual el sistema responde satisfactoriamente (aumento del ancho de Banda) Tendencia a la oscilacin o a la inestabilidad.El actuador final.Por cada proceso debe haber un actuador final, que regule el suministro de energa o material al proceso y cambie la seal de medicin. Ms a menudo ste es algn tipo de vlvula, pero puede ser adems una correa o regulador de velocidad de motor, posicionador, etc. El procesoLos tipos de procesos encontrados en las plantas industriales son tan variados como los materiales que producen. Estos se extienden desde lo simple y comn, tales como los lazos que controlan caudal, hasta los grandes y complejos como los que controlan columnas de destilacin en la industria petroqumica. El controlador automtico.El ltimo elemento del lazo es el controlador automtico, su trabajo es controlar la Medicin. Controlar significa mantener la medicin dentro de lmites aceptables. En ste artculo, los mecanismos dentro del controlador automtico no sern considerados. Por lo tanto, los principios a ser tratados pueden ser aplicados igualmente tanto para los controladores neumticos como para los electrnicos y a controladores de todos los fabricantes. Todos los controladores automticos usan las mismas respuestas generales, a pesar de que los mecanismos internos y las definiciones dadas para esta respuesta pueden ser ligeramente diferentes de un fabricante al otro. Un concepto bsico es que para que el control realimentado automtico exista, es que el lazo de realimentacin est cerrado. Esto significa que la informacin debe ser continuamente transmitida dentro del lazo. El controlador debe poder mover a la vlvula, la vlvula debe poder afectar a la medicin, y la seal de medicin debe ser reportada al controlador. Si la conexin se rompe en cualquier punto, se dice que el lazo est abierto. Tan pronto como el lazo se abre, como ejemplo, cuando el controlador automtico es colocado en modo manual, la unidad automtica del controlador queda imposibilitada de mover la vlvula. As las seales desde el controlador en respuesta a las condiciones cambiantes de la medicin no afectan a la vlvula y el control automtico no existe.

CONTROLANDO EL PROCESO

Al llevar a cabo la funcin de control, el controlador automtico usa la diferencia entre el valor de consigna y las seales de medicin para obtener la seal de salida hacia la vlvula. La precisin y capacidad de respuesta de estas seales es la limitacin bsica en la habilidad del controlador para controlar correctamente la medicin. Si el transmisor no enva una seal precisa, o si existe un retraso en la medicin de la seal, la habilidad del controlador para manipular el proceso ser degradada. Al mismo tiempo, el controlador debe recibir una seal de valor de consigna precisa (set-point).En controladores que usan seales de valor de consigna neumtica o electrnica generadas dentro del controlador, una falla de calibracin del transmisor de valor de consigna resultar necesariamente en que la unidad de control automtico llevar a la medicin a un valor errneo. La habilidad del controlador para posicionar correctamente la vlvula es tambin otra limitacin. Si existe friccin en la vlvula, el controlador puede no estar en condiciones de mover la misma a una posicin de vstago especfica para producir un caudal determinado y esto aparecer como una diferencia entre la medicin y el valor de consigna. Intentos repetidos para posicionar la vlvula exactamente pueden llevar a una oscilacin en la vlvula y en la medicin, o, si el controlador puede slo mover la vlvula muy lentamente, la habilidad del controlador para controlar el proceso ser degradada. Una manera de mejorar la respuesta de las vlvulas de control es el uso de posicionadores de vlvulas, que actan como un controlador de realimentacin para posicionar la vlvula en la posicin exacta correspondiente a la seal de salida del controlador. Los posicionadores, sin embargo, deberan ser evitados a favor de los elevadores de volumen en lazos de respuesta rpida como es el caso de caudal de lquidos a presin. Para controlar el proceso, el cambio de salida del controlador debe estar en una direccin que se oponga a cualquier cambio en el valor de medicin

La figura 3 muestra una vlvula directa conectada a un control de nivel en un tanque a media escala. A medida que el nivel del tanque se eleva, el flotador es accionado para reducir el caudal entrante, as, cuanto ms alto sea el nivel del lquido mayor ser el cierre del ingreso de caudal. De la misma manera, medida que el nivel cae, el flotante abrir la vlvula para agregar ms lquido al tanque. La respuesta de ste sistema es mostrada grficamente.

A medida que el nivel va desde el 0% al 100%, la vlvula se desplaza desde la apertura total hasta totalmente cerrada. La funcin del controlador automtico es producir este tipo de respuesta opuesta sobre rangos variables, como agregado, otras respuestas estn disponibles para una mayor eficiencia del control del proceso.SELECCIN DE LA ACCIN DEL CONTROLADOR.Dependiendo de la accin de la vlvula, un incremento en la medida puede requerir incrementos o disminuciones del valor de salida para el control. Todos los controladores pueden ser conmutados entre accin directa o reversa. La accin directa significa que cuando el controlador ve un incremento de seal desde el transmisor, su salida se incrementa. La accin reversa significa que un incremento en las seales de medicin hacen que la seal de salida disminuya.Para determinar cul de estas salidas es la correcta, un anlisis debe ser llevado a cabo en el lazo. El primer paso es determinar la accin de la vlvula. En la figura 1, por razones de seguridad la vlvula debe cerrar si existe un fallo en el suministro de aire de la planta. Por lo tanto, esta vlvula deber ser normal abierta con aire, o normal cerrada sin aire. Segundo, considere el efecto de un cambio en la medicin. Para incrementar la temperatura el caudal de vapor hacia el intercambiador de calor debera ser reducido, por lo tanto, la vlvula deber cerrarse. Para cerrarse sta vlvula, la seal del controlador automtico hacia la vlvula debe disminuir, por lo tanto el controlador requiere accin de disminucin/incremento reversa. Si se eligiera la accin directa el incremento de seales desde el transmisor dara como resultado en un aumento del caudal de vapor, haciendo que la temperatura se incremente an ms. El resultado sera un descontrol en la temperatura. Lo mismo ocurrira en cualquier disminucin de temperatura causando una cada de la misma. Una seleccin incorrecta de la accin del controlador siempre resulta en un lazo de control inestable tan pronto como el mismo es puesto en modo automtico. Asumiendo que la accin correcta sea seleccionada en el controlador, cmo sabe el dispositivo cuando la salida correcta ha sido alcanzada? , en la figura 3, por ejemplo, para mantener el nivel constante, el controlador debe manipular el ingreso de caudal igual al de salida, segn se demande. El controlador lleva a cabo su trabajo manteniendo ste balance en un estado permanente, y actuando para restaurar este balance entre el suministro y la demanda cuando el mismo es modificado por alguna variacin.VARIACIONESCualquiera de los siguientes tres eventos podra ocurrir requiriendo un caudal diferente para mantener el nivel en el tanque. Primero, si la posicin de la vlvula manual de salida fuera abierta ligeramente, entonces un caudal mayor saldra del tanque, haciendo que el nivel caiga. Este es un cambio bajo demanda, y para restaurar el balance, la vlvula de entrada de caudal debe ser abierta para proveer un mayor ingreso de lquido. Un segundo tipo de condicin de desbalance sera un cambio en el valor de consigna. El tercer tipo de variacin sera un cambio en el suministro, si la presin de salida de la bomba se incrementara, an si la vlvula de entrada se mantuviera en su posicin, el incremento de presin causara un mayor caudal, haciendo que el nivel comience a elevarse. Al medir el incremento, el controlador de nivel debera cerrar la vlvula en la entrada para mantener el nivel a un valor constante. De igual manera, cualquier controlador usado en el intercambiador de calor mostrado en la figura 1 debera balancear el suministro de calor agregado por el vapor con el calor arrastrado por el agua. La temperatura slo se puede mantener constante si el caudal de calor entrante iguala al calor que sale.CARACTERISTICAS DEL PROCESO Y CONTROLABILIDAD.El controlador automtico usa cambios en la posicin del actuador final para controlar la seal de medicin, moviendo el actuador para oponerse a cualquier cambio que observe en la seal de medicin. La controlabilidad de cualquier proceso es funcin de lo bien que una seal de medicin responde a stos cambios en la salida del controlador; para un buen control la medicin debera comenzar a responder en forma rpida, pero luego no cambiar rpidamente. Debido al tremendo nmero de aplicaciones del control automtico, caracterizando un proceso por lo que hace, o por industria, es una tarea engorrosa. Sin embargo, todos los procesos pueden ser descriptos por una relacin entre las entradas y las salidas. La figura 4 ilustra la respuesta de la temperatura del intercambiador de calor cuando la vlvula es abierta incrementando manualmente la seal de salida del controlador. Al comienzo, no hay una respuesta inmediata en la indicacin de temperatura, luego la respuesta comienza a cambiar, se eleva rpidamente al inicio, y se aproxima a la fina a un nivel constante. El proceso puede ser caracterizado por dos elementos de su respuesta, el primero es el tiempo muerto (dead time en Ingls), o sea el tiempo antes de que la medicin comience a responder, en ste ejemplo, el tiempo muerto se eleva debido a que el calor en el vapor debe ser conducido hasta el agua antes de que pueda afectar a la temperatura, y luego hacia el transmisor antes de que el cambio pueda ser percibido. El tiempo muerto es una funcin de las dimensiones fsicas de un proceso y cosas tales como las velocidades de correas y regmenes de mezcla. Segundo, la capacidad de un proceso es el material o energa que debe ingresar o abandonar el proceso para cambiar las mediciones, es, por ejemplo, los litros necesarios para cambiar el nivel, las caloras necesarias para cambiar la temperatura, o los metros cbicos de gas necesarios para cambiar la presin. La medicin de una capacidad es su respuesta para un paso de entrada. Especficamente, el tamao de una capacidad es medida por una constante de tiempo, que es definido como el tiempo necesario para completar el 63% de su respuesta total. La constante de tiempo es una funcin del tamao del proceso y del rgimen de transferencia de material o energa .Para este ejemplo, cuanto ms grande sea el tanque, y menor el caudal de vapor, mayor ser la constante de tiempo. Estos nmeros pueden ser de tan slo algunos segundos, y tan largos como varias horas. Combinados con el tiempo muerto, los mismos definen cunto tiempo lleva para que la seal responda a cambios en la posicin de la vlvula. Un proceso puede comenzar a responder rpidamente, pero no cambiar muy rpido si su tiempo muerto es pequeo y su capacidad muy grande. En resumen, cuanto mayor sea la constante de tiempo de la capacidad comparada con el tiempo muerto, mejor ser la controlabilidad del proceso.

TIPOS DE RESPUESTAS DE CONTROLADOR.La primera y ms bsica caracterstica de la respuesta del controlador ha sido indicada como la accin directa o reversa. Una vez que esta distincin se ha llevado a cabo, existen varios tipos de respuestas que pueden ser usadas para controlar un proceso. Estas son: Control Si/No ( On/Off con sus siglas en Ingls), o control de dos posiciones. Control proporcional. Accin integral (reset) Accin derivativa .

El control Si/No.El control SI/No es mostrado en la figura 5,Para un controlador de accin reversa y una vlvula del tipo presin-para-cerrar. El controlador Si/No tiene dos salidas que son para mxima apertura y para apertura mnima, o sea cierre. Para este sistema se ha determinado que cuando la medicin cae debajo del valor de consigna, la vlvula debe estar cerrada para hacer que se abra; as, en el caso en que la seal hacia el controlador automtico est debajo del valor de consigna, la salida del controlador ser del 100%. A medida que la medicin cruza el valor de consigna la salida del controlador va hacia el 0%. Esto eventualmente hace que la medicin disminuya y a medida que la medicin cruza el valor de consigna nuevamente, la salida vaya a un mximo. Este ciclo continuar indefinidamente, debido a que el controlador no puede balancear el suministro contra la carga. La continua oscilacin puede, o puede no ser aceptable, dependiendo de la amplitud y longitud del ciclo. Un ciclo rpido causa frecuentes alteraciones en el sistema de suministro de la planta y un excesivo desgaste de la vlvula. El tiempo de cada ciclo depende del tiempo muerto en el proceso debido a que el tiempo muerto determina cuanto tiempo toma a la seal de medicin para revertir su direccin una vez que la misma cruza el valor de consigna y la salida del controlador cambia. La amplitud de la seal depende de la rapidez con que la seal de medicin cambia durante cada ciclo. En procesos de gran capacidad, tales como cubas de calentamiento, la gran capacidad produce una gran constante de tiempo, por lo tanto, la medicin puede cambiar slo muy lentamente. El resultado es que el ciclo ocurre dentro de una banda muy estrecha alrededor del valor de consigna, y este control puede ser muy aceptable, si el ciclo no es muy rpido. Por lejos el tipo ms comn de control usado en la industria es el Si/No. Sin embargo si la medicin del proceso es ms sensible a los cambios en el suministro, la amplitud y frecuencia del ciclo comienza a incrementarse, en algn punto el ciclo se volver inaceptable y alguna forma de control proporcional deber ser aplicada.De manera de estudiar los otros tres tipos de modos de control automtico se usaran respuesta de lazo abierto. Un lazo abierto significa que slo la respuesta del controlador ser considerada.

La figura 6 muestra un controlador automtico con una seal artificial desde un regulador manual introducida como la medicin. El valor de consigna es introducido normalmente y a salida es registrada. Con ste arreglo, las respuestas especficas del controlador a cualquier cambio deseado en la medicin puede ser observada.

Accin proporcional.La respuesta proporcional es la base de los tres modos de control, si los otros dos, accin integral (reset) y accin derivativa estn presentes, stos son sumados a la respuesta proporcional. Proporcional significa que el cambio presente en la salida del controlador es algn mltiplo del porcentaje de cambio en la medicin. Este mltiplo es llamado ganancia del controlador. Para algunos controladores, la accin proporcional es ajustada por medio de tal ajuste de ganancia, mientras que para otros se usa una banda proporcional. Ambos tienen los mismos propsitos y efectos.

La figura 7 ilustra la respuesta de un controlador proporcional por medio de un indicador de entrada/salida pivotando en una de estas posiciones. Con el pvot en el centro entre la entrada y la salida dentro del grfico, un cambio del 100% en la medicin es requerido para obtener un 100% de cambio en la salida, o un desplazamiento completo de la vlvula. Un controlador ajustado para responder de sta manera se dice que tiene una banda proporcional del 100%. Cuando el pvot es hacia la mano derecha, la medicin de la entrada debera tener un cambio del 200% para poder obtener un cambio de salida completo desde el 0% al 100%, esto es una banda proporcional del 200%. Finalmente, si el pvot estuviera en la posicin de la mano izquierda y si la medicin se moviera slo cerca del 50% de la escala, la salida cambiara 100% en la escala. Esto es un valor de banda proporcional del 50%. Por lo tanto, cuanto ms chica sea la banda proporcional, menor ser la cantidad que la medicin debe cambiar para el mismo tamao de cambio en la medicin. O, en otras palabras, menor banda proporcional implica mayor cambio de salida para el mismo tamao de medicin. Esta misma relacin est representada por la figura 8.Este grfico (figura 8) muestra cmo la salida del controlador responder a medida que la medicin se desva del valor de consigna. Cada lnea sobre el grfico representa un ajuste particular de la banda proporcional. Dos propiedades bsicas del control proporcional pueden ser observadas a partir de ste grfico: Por cada valor de la banda proporcional toda vez que la medicin se iguala al valor de consigna, la salida es del 50%. Cada valor de la banda proporcional defina una relacin nica entre la medicin y la salida. Por cada valor de medicin existe un valor especfico de salida. Por ejemplo, usando una lnea de banda proporcional del 100%, cuando la medicin est 25% por encima del valor de consigna, la salida del controlador deber ser del 25%. La salida del controlador puede ser del 25% slo si la medicin esta 25% por encima del valor de consigna. De la misma manera, cuando la salida del controlador es del 25%, la medicin ser del 25% por encima del valor de consigna. En otras palabras, existe un valor especfico de salida por cada valor de medicin. Industrial controllers market - Mercado de controladores de procesos industriales. Allen Bradley Programmable Logic Controllers Siemens Programmable Logic Controllers Mitsubishi Programmable Logic Controllers Omron Programmable Logic Controllers GE Programmable Logic Controllers Klockner Moeller Programmable Logic Controllers Process controllers for the industry.

Para cualquier lazo de control de proceso slo un valor de la banda proporcional es el mejor. A medida que la banda proporcional es reducida, la respuesta del controlador a cualquier cambio en la medicin se hace mayor y mayor. En algn punto dependiendo de la caracterstica de cada proceso particular, la respuesta en el controlador ser lo suficientemente grande como para controlar que la variable medida retorne nuevamente en direccin opuesta a tal punto de causar un ciclo constante de la medicin. Este valor de banda proporcional, conocido como la ltima banda proporcional, es un lmite en el ajuste del controlador para dicho lazo. Por otro lado, si se usa una banda proporcional muy ancha, la respuesta del controlador a cualquier cambio en la medicin ser muy pequea y la medicin no ser controlada en la forma suficientemente ajustada. La determinacin del valor correcto de banda proporcional para cualquier aplicacin es parte del procedimiento de ajuste (tuning procedure) para dicho lazo. El ajuste correcto de la banda proporcional puede ser observado en la respuesta de la medicin a una alteracin. La figura 9 muestra varios ejemplos de bandas proporcionales variadas para el intercambiador de calor. Idealmente, la banda proporcional correcta producir una amortiguacin de amplitud de cuarto de ciclo en cada ciclo, en el cual cada medio ciclo es de la amplitud de del medio ciclo previo. La banda proporcional que causar una amortiguacin de onda de un cuarto de ciclo ser menor , y por lo tanto alcanzar un control ms ajustado sobre la variable medida , a medida que el tiempo muerto en el proceso decrece y la capacidad se incrementa . Una consecuencia de la aplicacin del control proporcional al lazo bsico de control es el offset. Offset significa que el controlador mantendr la medida a un valor diferente del valor de consigna. Esto es ms fcilmente visto al observar la figura 3. Note que si la vlvula de carga es abierta, el caudal se incrementar a travs de la vlvula y el nivel comenzar a caer, de manera de mantener el nivel, la vlvula de suministro debera abrirse, pero teniendo en cuenta la accin proporcional del lazo el incremento en la posicin de apertura puede slo ser alcanzado a un nivel menor. En otras palabras, para restaurar el balance entre el caudal de entrada y el de salida, el nivel se debe estabilizar a un valor debajo del valor de consigna (o setpoint). Esta diferencia, que ser mantenida por el lazo de control, es llamada offset, y es caracterstica de la aplicacin del control proporcional nico en los lazos de realimentacin. La aceptabilidad de los controles slo-proporcionales dependen de si este valor de offset ser o no tolerado , ya que el error necesario para producir cualquier salida disminuye con la banda proporcional , cuanto menor sea la banda proporcional , menor ser el offset . Para grandes capacidades, aplicaciones de tiempo muerto pequeas que acepten una banda proporcional muy estrecha, el control slo-proporcional ser probablemente satisfactorio dado que la medicin se mantendr a una banda de un pequeo porcentaje alrededor del valor de consigna. Si es esencial que no haya una diferencia de estado estable entre la medicin y el valor de consigna bajo todas las condiciones de carga, una funcin adicional deber ser agregada al controlador.Accin integral (reset).Esta funcin es llamada accin integral o reset. La respuesta del lazo abierto del modo reset es mostrada en la figura 10, que indica un escaln de cambio en algn instante en el tiempo. En tanto que la medicin estuviera en su valor de consigna, no existira ningn cambio en la salida debido al modo de reset en el controlador Sin embargo, cuando cualquier error exista entre la medicin y el valor de consigna, la accin de reset hace que la salida comience a cambiar y contine cambiando en tanto el error exista. Esta funcin, entonces, acta sobre la salida para que cambie hasta un valor correcto necesario para mantener la medicin en el valor de consigna a varias cargas sea alcanzado. Esta respuesta es agregada a la banda proporcional del controlador segn se muestra en la figura 11. El escaln de cambio en la medicin primero produce una respuesta proporcional, y luego una respuesta de reset es agregada a la proporcional. Cuanta ms accin de reset o integral exista en el controlador, ms rpido cambia la salida en funcin del tiempo. Entre las varias marcas de controladores, la salida de accin integral es medida de una o dos maneras, tanto en minutos por repeticin, o en nmero de repeticiones por minuto. Para aquellos controladores que miden en minutos por repeticin, el tiempo de reset es la cantidad de tiempo necesaria para que dicho modo repita la respuesta del lazo abierto causada por el modo proporcional para un paso de cambio de error. As, para estos controladores, cuanto menor sea el nmero de reset, mayor ser la accin del modo reset. En aquellos controladores que miden la accin de reset en repeticiones por minuto, el ajuste indica cuantas repeticiones de la accin proporcional son generados por el modo de reset en un minuto. As, para dichos controladores cuanto mayor sea el nmero reset, mayor ser la accin integral. El tiempo de reset es indicado en la figura 11. La correcta cantidad de accin reset depende de cun rpido la medicin puede responder al recorrido adicional de vlvula que la misma causa. El controlador no debe comandar la vlvula ms rpido que el tiempo muerto en el proceso, permitiendo que la medicin responda, o de otra manera la vlvula ira a sus lmites antes de que la medicin pueda ser retornada nuevamente al valor de consigna. La vlvula se mantendr entonces en su posicin extrema hasta que la medicin cruce el valor de consigna en la direccin opuesta. El resultado ser un ciclo de reset en el cual la vlvula se desplaza de un extremo al otro a medida que la medicin oscila alrededor del valor de consigna. Cuando el reset es aplicado en los controladores en procesos en serie en que la medicin est alejada del valor de consigna por largos perodos entre series, el reset puede llevar la salida a un mximo resultando en una oscilacin de reset. Cuando la prxima serie se inicie, la salida no alcanzar su mximo hasta que la medicin cruce el valor de consigna produciendo grandes desviaciones. El problema puede ser prevenido mediante la inclusin de una llave de serie en el controlador.Accin derivativa.La tercera respuesta encontrada en controladores es la accin derivativa. As como la respuesta proporcional responde al tamao del error y el reset responde al tamao y duracin del error, el modo derivativo responde a la cun rpido cambia el error. En la figura 12, dos respuestas derivativas son mostradas.

La primera es una respuesta a un corte en la medicin alejada del valor de consigna. Para un escaln, la medicin cambia en forma infinitamente rpida, y el modo derivativo del controlador produce un cambio muy grande y repentino en la salida, que muere inmediatamente debido a que la medicin ha dejado de cambiar luego del escaln. La segunda respuesta muestra la respuesta del modo derivativo a una medicin que est cambiando a un rgimen constante. La salida derivativa es proporcional al rgimen de cambio de ste error. Cuanto mayor sea el cambio, mayor ser la salida debido a la accin derivativa. La accin derivativa mantiene sta salida mientras la medicin est cambiando. Tan pronto como la medicin deja de cambiar, est o no en el valor de consigna, la respuesta debido a la accin derivativa cesar. Entre todas las marcas de controladores, la respuesta derivativa es comnmente medida en minutos como se indica en la figura 13.El tiempo derivativo en minutos es el tiempo que la respuesta proporcional del lazo abierto mas la respuesta derivativa est delante de la respuesta resultante del valor proporcional solamente. As, cuanto mas grande sea el nmero derivativo mayor ser la respuesta derivativa. Los cambios en el error son un resultado de los cambios tanto en el valor de consigna como en la medicin o en ambos. Para evitar un gran pico causado por las escalones de cambio en el valor de consigna , la mayora de los controladores modernos aplican la accin derivativo slo a cambios en la medicin .La accin derivativa en los controladores ayuda a controlar procesos con constantes de tiempo especialmente grandes y tiempo muerto significativo , la accin derivativa es innecesaria en aquellos procesos que responden rpidamente al movimiento de la vlvula de control , y no puede ser usado en absoluto en procesos con ruido en la seal de medicin , tales como caudal , ya que la accin derivativa en el controlador responder a los cambios bruscos en la medicin que el mismo observa en el ruido . Esto causar variaciones rpidas y grandes en la salida del controlador, lo que har que la vlvula est constantemente movindose hacia arriba o hacia abajo, produciendo un desgaste innecesario en la misma.

La figura 14 muestra una accin combinada de respuesta proporcional, reset y accin derivativa para la medicin de temperatura de un intercambiador de calor simulado que se desva del valor de consigna debido a un cambio de carga. Cuando la medicin comienza a desviarse del valor de consigna, la primera respuesta del controlador es una respuesta derivativa proporcional al rgimen de variacin de la medicin que se opone al movimiento de la medicin al alejarse del valor de consigna. La respuesta derivativa es combinada con la respuesta proporcional agregada, a medida que el reset en el controlador ve el error incrementarse, el mismo controla la vlvula ms fuerte an. La accin continan hasta que la medicin deja de cambiar, entonces la accin derivativa se detiene. Dado que existe an un error, la medicin contina cambiando debido al reset, hasta que la medicin comienza a retornar hacia el valor de consigna. Tan pronto como la medicin comienza a moverse retornando hacia el valor de consigna, aparece una accin derivativa proporcional al rgimen de cambio en la variacin oponindose al retorno de la medicin hacia el valor de consigna. La accin integral o reset contina debido a que an existe un error, a pesar de que su contribucin disminuye con el error. Adems, la salida debido al valor proporcional est cambiando. As, la medicin retorna hacia el valor de consigna. Tan pronto como la medicin alcanza el valor de consigna y deja de cambiar, la accin derivativa cesa nuevamente y la salida proporcional vuelve al 50%. Con la medicin nuevamente en su valor de consigna, no existen ms respuestas a variaciones debidas al reset. Sin embargo, la salida est ahora a un nuevo valor. El nuevo valor es el resultado de la accin de reset durante el tiempo en que la medicin se alej del valor de consigna, y compensa el cambio de carga que fue causado por la alteracin original.

Conclusin.Este artculo ha descrito las respuestas a controladores de tres modos cuando los mismos son usados en el comando de lazos realimentados de mediciones industriales. El lector deber tener un claro concepto de los siguientes puntos. 1. Para alcanzar el control automtico, el lazo de control deber estar cerrado. 2. Para tener una lazo realimentado de control estable, el ajuste mas importante del controlador es la seleccin de la accin correcta, sea directa o inversa. La incorrecta seleccin de sta accin har que la salida del controlador sea inestable, y por lo tanto la eleccin correcta har que la salida del controlador cambie de tal manera que el movimiento de la vlvula se oponga a cualquier cambio en la medicin detectada por el controlador. 3. El valor correcto de los ajustes de banda proporcional , reset , y tiempo derivativo dependen de las caractersticas del proceso , cabe consignar que en los controladores actuales dichos valores se pueden detectar en forma automtica , ya que el controlador dispone de un modo en que produce alteraciones controladas , y dentro de ciertos lmites establecidos previamente por el operario , en la salida se miden los resultados del proceso para una cierta cantidad de ciclos de alteracin , en base a ste comportamiento puede detectar cul es el mejor conjunto de ajustes para controlar un proceso mediante el software interno del aparato . 4. La funcin del modo reset (tambin llamado accin integral) es para eliminar el offset. Si mucho valor de offset es usado es resultado ser una oscilacin de la medicin cuando el controlador acciona la vlvula de un extremo al otro. Si un valor muy bajo de reset es usado, el resultado ser que la medicin retorna al valor de consigna ms lentamente que lo posible. 5. El modo derivativo se opone a cualquier cambio en la medicin. Una accin derivativa muy pequea no tiene efecto significativo, una accin con valores muy altos provoca una respuesta excesiva del controlador y un ciclo en la medicin.

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