ud1-introduccion a sistemas control

Generalitat de CatalunyaDepartament d’EducacióInstitut d’Educació Secundària i Superior d’Ensenyaments ProfessionalsIES-SEP Mollet del Vallès

CFS Regulació i Control 0851

CRÈDIT 2: Sist. Mesura i Regulac. Curs:2

UD1 – Introducció Sist. Con. Temps:

TITOL: NA1.1- INTRODUCCIÓ

UD1.-INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL:

NA1.1.-INTRODUCCIÓN

1.1.1.- SISTEMAS DE CONTROL AUTOMATICOS O AUTOMATICA:

La regulación automática, o simplemente automática, es la “disciplina que trata de los métodos

y procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador humano por un operador

artificial en la ejecución de una tarea física o mental previamente programada” según la definición,

suficientemente precisa, de la Real Academia.

De esta definición se deduce que la automática persigue el funcionamiento autónomo de ciertas

tareas de los procesos físicos o mentales, con el posible beneficio humano, económico y social.

La automática tiene una extensa utilidad, ya que su aplicación no sólo se limita a la

automatización de los procesos productivos industriales tales como: químicos, energéticos,

mecánicos, eléctricos, electrónicos, aeronáuticos, etc., sino que también permite el desarrollo

de sistemas automáticos útiles para el medio ambiente o la medicina y posibilita el análisis del

comportamiento de los mecanismos de regulación existentes en los procesos comerciales,

sociales, políticos o biológicos.

Los ejemplos de mecanismos automáticos de regulación, sean naturales o artificiales, son

incontables en todo tipo de procesos. A continuación, se presentan unos primeros ejemplos que

nos harán vislumbrar la incidencia real de los mismos y su principio de funcionamiento.

Un proceso biológico vital auto-regulado es el mantenimiento de las llamadas constantes

vitales (presión sanguínea y temperatura del cuerpo) de los hombres y animales. Complejos

mecanismos biológicos reaccionan frente a las adversidades o perturbaciones (por ejemplo, los

cambios bruscos de la temperatura ambiente o los esfuerzos musculares) intentando mantener

estas variables en unos valores adecuados a cada organismo, son las llamadas constantes o

consignas. Un mal funcionamiento de la regulación de estas variables se detecta por un desvío

excesivo respecto de sus constantes o consignas y es el habitual síntoma (fiebre, presión muy alta

o baja) utilizado para diagnosticar la existencia de una enfermedad.

[email protected]/ Antonio Zahino Pàgina 1 de 40

mailto:[email protected]/






Ejemplos de tareas domésticas con mecanismos de regulación automática, van desde un simple

termostato que actúa sobre la marcha y paro de la calefacción de una casa para mantener

constante la temperatura de la misma, hasta el complejo mecanismo de control óptico de los

"compact-disc'; desde el mecanismo de control a distancia de la apertura y cierre de la puerta

de un garaje hasta el complejo mecanismo de posicionamiento del cabezal para la lectura y

escritura en los discos duros de los ordenadores personales; o los numerosos electiodomésticos

(lavadoras, lavaplatos, tostadoras, ...) que automatizan las tareas del hogar, antaño manuales,

tediosas y repetitivas, proporcionando a cambio comodidad y calidad de vida.

1.1.1.1.-Tipologias de control: Sistemas de control en lazo abierto o lazo cerrado

Un sistema de control es una interconexión de componentes que forman una configuración del

sistema que proporcionará una respuesta deseada. La base para el análisis de un sistema es el

fundamento proporcionado por la teoría de los sistemas lineales, que supone una relación entre

causa y efecto para sus componentes. Por tanto, un componente o proceso que vaya a ser

controlado puede representarse mediante un bloque tal como se muestra en la siguiente figura:

La relación entrada-salida representa la relación entre causa y efecto del proceso, que a su vez

representa un procesamiento de la señal de entrada para proporcionar una señal de salida,

frecuentemente con una amplificación de potencia.

Un sistema de control en lazo abierto utiliza un regulador o actuador de control para obtener la

respuesta deseada (sin realimentación), tal como se muestra en la siguiente figura:

Un sistema de control en lazo abierto utiliza un dispositivo de actuación para controlar el proceso

directamente sin emplear realimentación.

Un ejemplo común de un sistema de control en lazo abierto es un tostador eléctrico en la cocina,

en el cual pulsas un botón y la tostada salta en un tiempo determinado, este como este la tostada

(quemada o poco echa).








En contraste con un sistema de control en lazo abierto, un sistema de control en lazo cerrado

utiliza una medida adicional de la salida real, para compararla con la respuesta de la salida

deseada. La medida de la salida se denomina señal de realimentación. En la siguiente figura se

muestra un sencillo sistema de control con realimentación en lazo cerrado:

Un sistema de control con realimentación es aquel que tiende a mantener una relación prescrita

de una variable del sistema con otra, comparando funciones de estas variables y usando la

diferencia como un medio de control.

Para controlar un proceso, un sistema de control con realimentación suele emplear una

función de una relación prescrita entre la salida real y la entrada de referencia.

A menudo, la diferencia entre la salida del proceso bajo control y la entrada de referencia se

amplifica y se emplea para controlar el proceso, de manera que esta diferencia se reduce

continuamente. El concepto de realimentación es el fundamento para el análisis y diseño de

sistemas de control.

Por lo que resumiendo, un sistema de control en lazo cerrado usa la medida de la salida para

compararla con la salida deseada (referencia u orden) y suministrar una orden de control.

Un ejemplo de un sistema de control en lazo cerrado es una persona que conduce un automóvil

(suponienelo que mantiene los ojos abiertos) al mirar la posición del coche en la carretera y

realiza los ajustes apropiados (si hay una curva el conductor gira el volante y el coche gira).

Conforme los sistemas se hacen más complejos, deben considerarse en el esquema de control

las interrelaciones de muchas variables controladas (por ejemplo, en un horno se controlan la

temperatura, humedad, acidez, etc).








1.1.1.2.-Historia del control automatico

Un clásico ejemplo de control automático es el mecanismo ideado por Watt (1785) para controlar la

velocidad de una máquina de vapor, utilizando el efecto de la fuerza centrífuga para regular el paso

del vapor a la máquina

El control de velocidad de la máquina se realiza mediante un mecanismo compuesto por unas bolas

que se separan por efecto de la fuerza centrífuga y dos piezas, una fija y otra móvil que abre y

cierra el paso del vapor. Así, si por alguna razón, se produce una disminución de la velocidad de la

máquina, automáticamente se aproximarán las bolas al eje, bajará la posición de la pieza móvil y

por consiguiente dejará pasar más flujo de vapor que provocará un aumento del par motor

restableciéndose la velocidad original, y por el contrario, un aumento de la velocidad producirá una

mayor separación de las bolas, y una subida de la pieza móvil que obturará más el paso del flujo,








provocando una disminución del par motor que reequilibrará la velocidad de la máquina. Este es el

principio de funcionamiento del mecanismo automático de control de la velocidad de un motor

térmico.

El primer sistema con realimentación de la historia reclamado por Rusia es el regulador de nivel de

agua de flotador (como el de la cisterna de un wáter), que se dice fue inventado por L Polzunov en

1765.

El flotador detecla el nivel agua y controla la válvula que tapa la entrada de agua en la caldera.

Estos y otros numerosos ejemplos de aplicación industrial han conseguido, desde hace tiempo, que

el control automático constituya una parte crucial e inseparable de los procesos de producción.

Su aplicación a un proceso industrial concreto permite mejorar la calidad, disminuir el consumo

energético y aumentar el grado de fiabilidad del producto realizado, reduciendo al mismo tiempo los

costes de producción y mantenimiento, lo que supone un aumento de la producción y de la

competitividad.

1.1.1.3.-Caracterización y definición de conceptos

Mediante el siguiente ejemplo se describirán los conceptos más usuales de la regulación

automática o control automatico.








El caso consiste en el control automático del nivel de un depósito de agua (deposito 1), actuando

sobre una bomba que impulsa el agua desde un depósito de reserva (deposito 2) al depósito 1

objeto de control.

El operador introduce una señal eléctrica (a) en el amplificador-bomba, situando el potenciómetro

lineal en una cierta posición, el amplificador aumenta la potencia de la señal introducida (a) para

poder actuar sobre la bomba, que impulsa agua del depósito 2 al deposito 1 (la bomba suministra

un caudal constante de agua, es decir no se puede regular el caudal). De esta forma, al depósito 1

le entra un caudal de agua proveniente de la bomba.

Mientras que el nivel de agua en el depósito 1 es bajo, la bomba seguirá introduciendo agua en el

deposito 1.

Si el nivel del agua en el deposito 1 es superior al requerido, la bomba debería de dejar de

introducir agua en el deposito 1 y un operario abre la valvula de desague (al válvula que es de tipo

manual, como un grifo), que envía el excedente de agua al deposito 2 (reserva).

Como se ha observado, en este ejemplo intervienen una serie de componentes (potenciómetro,

amplificador, bomba, depósito, válvula, tuberías y depósito de reserva) que permiten realizar una

cierta función.

Se llama sistema o proceso al conjunto de componentes que actúan de forma coordinada para

realizar una función. Si se actúa de forma manual o automática sobre el sistema o proceso para

alcanzar un cierto fin, se denomina sistema o proceso controlado, como es el caso de este ejemplo

donde se persigue alcanzar un nivel de agua en el depósito.








Si se analizan los diferentes componentes de este proceso, se aprecian dos grupos diferenciados:

-Por una parte los componentes pasivos que no pueden alterar su estado o

funcionamiento, como son: los dos depósitos y las tuberías (no pueden cambiar su estado

físico, es decir, el deposito no puede cambiar de diámetro)

-Por otra parte, los componentes activos, cuyo estado puede manipularse, como son el

potenciómetro que varía su resistencia en función de su posición, el amplificador que

suministra una señal función de su entrada, la bomba que impulsa más o menos agua en

función de la señal del amplificador, la cantidad (nivel) de agua en el depósito y la válvula

que también puede ser manipulada.

A su vez, los componentes activos realizan unas tareas muy diferentes. Así, el potenciómetro es

el componente que manipula el operador para lograr el resultado esperado, es la causa que

produce en el proceso el efecto deseado, por tanto es lógico que se denomine entrada o

consigna del proceso, mientras que el nivel de agua en el depósito es el componente que

proporciona el resultado deseado, llamado salida del proceso.

La válvula de evacuación es un componente que puede perturbar el funcionamiento del

proceso, ya que si el nivel de agua tiene el valor deseado, una modificación de la posición de la

válvula, altera y desvía el nivel de agua en el depósito. En consecuencia, la válvula es la llamada

perturbación de este proceso.

La bomba no es manipulable directamente por el operador, pero su estado es controlado por el

amplificador. En general, forma parte del nombre genérico de proceso, aunque también puede

denominarse actuador del proceso, ya que es un componente activo del mismo.

El amplificador recibe la señal del potenciómetro y también forma parte del proceso, pero como su

ganancia puede modificarse para alcanzar el objetivo de controlar el nivel, se le puede denominar

controlador o regulador del proceso (aunque el amplificador no seria realmente el controlador

porque no recibe la señal del sensor de nivel de agua). Un controlador calcula en todo momento

la acción sobre el actuador del proceso, en nuestro caso la bomba de impulsión.








Existe en el ejemplo un componente que no ha sido mencionado, porque no interviene en el

proceso controlado de la figura. Es el caso del sensor capacitivo que es un medidor capacitivo

que por efecto de la variación de su capacidad, debido al contacto con el agua, suministra una

tensión proporcional al nivel de agua en el depósito. En el ejemplo, el controlador (amplificador)

no utiliza la información del sensor para actuar sobre el actuador del proceso. Este tipo de

control, es un ejemplo de sistema en lazo abierto, ya que el controlador actúa sin tener ninguna

constancia del cumplimiento del objetivo (nivel deseado en el depósito).

Un control en lazo abierto tiene el inconveniente de que el operador debe conocer a la perfección el

funcionamiento del proceso para poder introducir la cantidad justa de entrada o consigna necesaria,

en nuestro caso la posición adecuada del potenciómetro. Además el resultado será muy sensible a

las variaciones y perturbaciones del proceso, en nuestro caso, posibles variaciones en la ganancia

del amplificador y/o manipulaciones en la válvula de evacuación.

La siguiente figura representa esquemáticamente el conjunto de componentes existentes en el

ejemplo y su interconexión (lazo abierto).

El caudal de salida del depósito 1 al deposito 2 puede considerarse como un caudal negativo que

se resta al de la bomba para entrar al depósito, tal como aparece en el nudo (o círculo) de entrada

al depósito.

Para evitar los inconvenientes del control en lazo abierto, se utiliza generalmente un control en

lazo cerrado o realimentado que utiliza el componente sensor en el proceso controlado. Una

forma de utilizarlo es que el operador observe en todo momento la señal que proporciona el sensor

y actúe consecuentemente, disminuyendo la señal del potenciómetro si la medida de nivel es

excesiva o aumentándola si es inferior al nivel deseado. Este caso es un control manual (humano)

en lazo cerrado con realimentación visual y la alternativa consiste en un control automático en lazo

cerrado, tal como aparece en la siguiente figura:








En este tipo de control, el amplificador tiene una nueva tarea que es la de comparar (restar) la

señal de entrada o consigna con la señal proveniente del sensor y a continuación, la

diferencia, llamada error de regulación, se amplifica para poder actuar sobre la bomba. De esta

forma, si se produce una perturbación cuando el nivel es el deseado, por ejemplo abriendo más la

válvula de desagüe, se produce rápidamente una disminución del nivel de agua que se detectará en

una bajada en la señal del medidor, por lo que la diferencia con la consigna aumentará y una vez

amplificada proporcionará energía a la bomba y por consiguiente, caudal de entrada intentando así

contrarrestar la bajada de nivel por el efecto de la perturbación de la válvula. Si, por el contrario, se

cierra la válvula, aumentará rapidamente el nivel de agua, que se detectará en una subida de la

señal del medidor, por lo que la diferencia con la consigna disminuirá aportando cerrando la bomba

y cortando el caudal de entrada, contrarrestando así el efecto de la perturbación.

La siguiente figura, esquematiza el control automático en lazo cerrado del depósito:








Este mecanismo de control en lazo cerrado o realimentado es el principio de funcionamiento (en la

inmensa mayoría de los casos) del control automático de procesos industriales y es, incluso, un

mecanismo natural en muchos procesos biológicos de los seres vivos (homeóstasi), como es el

caso del control de la presión sanguínea y temperatura del cuerpo de los mismos.

1.1.1.4.-Definición de los términos más usuales de la automática

La automática utiliza bastantes términos propios, como son: componente, sistema, proceso,

variables de entrada, salida, consigna y perturbaciones del proceso, control manual y automático

del proceso, etc..., tal como se ha visto en el apartado anterior y cuya definición y uso es importante

conocer con precisión.

-COMPONENTE: es un elemento físico o mental que puede adoptar diferentes estados

de funcionamiento. Por ejemplo, un ventilador es un elemento que puede estar parado o

en movimiento, una resistencia eléctrica es otro elemento que puede estar incandescente o

fría, según circule, o no, corriente.

-SISTEMA: es una combinación de componentes que actúan en conjunto para realizar

una función, la cual no se realizaría con una de sus partes individuales, según definición del

Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). Un ejemplo es un secador de pelo

que combina adecuadamente varios componentes, como un ventilador y una

resistencia eléctrica, para lograr el objetivo de proyectar aire caliente. Otro ejemplo es

una lavadora que se compone de varios elementos, como la válvula de admisión de

agua, el motor eléctrico, el bombo o recinto, el medidor de nivel de agua, el

programador y la puerta para introducir o extraer la ropa. La lavadora, realiza su

función, que es la de lavar la ropa, si la puerta está cerrada, el programador está en una

posición correcta, la válvula de admisión de agua está cerrada y el medidor de nivel de agua

proporciona el nivel correcto, es decir, si el conjunto de elementos actúan en combinación.

Los sistemas pueden ser muy complejos y pueden estar formados por diferentes

subsistemas que actúan en combinación.

-PROCESO: es la operación que se realiza con un sistema o conjunto de sistemas, por

ejemplo, la generación de energía eléctrica que se realiza en una central hidráulica, la








producción de pasta de papel que se realiza con una máquina que transforma la materia

prima (la madera) en pasta de papel, el lavado de la ropa con una lavadora. En estos

ejemplos los sistemas son la central hidráulica y la máquina papelera y los procesos son la

generación de energía eléctrica y papel respectivamente. Desde el punto de vista de la

regulación automática, es corriente confundir los términos de sistema y proceso, sin que

tenga excesivas consecuencias prácticas.

-VARlABLES DE ENTRADA O CONSIGNA: de un proceso son las señales o materias

que entran al sistema para realizar una cierta operación o proceso. Por ejemplo, la

señal eléctrica (tensión) que se aplica a la resistencia eléctrica de un secador, o la materia

prima de madera que se introduce a la máquina de producción de pasta de papel o el caudal

de entrada a un depósito.

-VARlABLES DE SALIDA: de un proceso son las señales o materias que salen del

sistema y que son el objeto del proceso. Por ejemplo, en los casos precedentes son el flujo

y la temperatura del aire caliente que genera el secador, el volumen de pasta generado, o el

nivel del depósito, respectivamente.

-SENSOR: es un componente que mide la variable de salida del proceso, como es el

caso del medidor capacitivo del nivel de agua en un depósito.

- VARlABLES DE PERTURBACION: de un proceso son aquellas señales o materias que

provocan un desvío de las variables de salida del proceso de sus valores de consigna,

por ejemplo, un caudal de fuga de agua en el depósito, la acción de las olas y el viento en

un barco que pretende seguir un rumbo constante, un obstáculo que impide la salida del aire

caliente del secador, etc...

- CONTROLADOR O REGULADOR: es el sistema que elabora y calcula en todo

momento el valor de las variables de entrada del proceso para que sus variables de

salida coincidan con las consignas o valores deseados, a pesar de la existencia de las

variables de perturbación. La acción del controlador o regulador se llama control o

regulación, y si esta acción se realiza por un operador humano se llama control manual,

mientras que si se realiza por un sistema o mecanismo artificial se denomina control








automático; por ejemplo, el control de la dirección de un coche que circula por una carretera

se lleva a cabo por el conductor por lo que es un control manual y el controlador el propio

conductor, en cambio, en el control de velocidad de la máquina de vapor inventada por J.

Watt, el control es automático ya que lo realiza un mecanismo artificial compuesto por el

conjunto de las bolas y el elemento de transmisión del movimiento que abre y cierra el paso

del vapor, todo ello constituye el controlador del proceso.

-CONTROL EN LAZO ABIERTO O CERRADO: es el tipo de acción del controlador que

puede utilizar una medida real de la variable de salida para actuar sobre el proceso (control

en lazo cerrado) o no tenerla en cuenta (lazo abierto). Al tipo de control en lazo cerrado

también se denomina control realimentado.

- SERVOSISTEMAS O SISTEMAS DE CONTROL REALIMENTADOS: son sistemas de

control automáticos que utilizan las variables de salida del proceso para calcular las

variables de entrada del mismo (realimentación).

- SERVOMECANISMO: es un servosistema en el que las variables de salida del proceso

son de naturaleza mecánica.

- CONTROL CONTINUO O DISCRETO: son dos tipos de control que calculan las

variables de entrada al proceso en todos los instantes de tiempo (continuo en el

tiempo), o solo en instantes precisos (discreto en el tiempo). Por ejemplo, un ordenador

que controle un proceso sólo actúa en instantes discretos sobre sus entradas (control

discreto o digital), mientras que el servomecanismo de la máquina de vapor actúa

continuamente sobre la entrada del vapor (control continuo).

- CONTROL LOGICO O ANALOGICO: son también dos tipos de control, con la diferencia

que el controlador actúe sobre la entrada del proceso con dos únicos valores (0 ó 1, motor

en marcha o paro, válvula abierta o cerrada, ...) o con infinitos valores posibles entre el

mínimo y máximo valor de la entrada del proceso (diferentes valores del caudal de entrada

en un depósito, diferentes posiciones del volante en la conducción de un coche, ...)

respectivamente.








1.1.1.5.-Clasificación de los tipos de sistemas de control en lazo cerrado o

realimentados

Como ya se ha descrito con anterioridad, la mayoría de los sistemas de control utilizan el

esquema de control en lazo cerrado o realimentado, ya que permite corregir las desviaciones de

la salida respecto de la consigna, actuando sobre la entrada del proceso.

Los sistemas de control realimentados pueden clasificarse en diferentes tipos, según su diferente

naturaleza (tipología de controlador utilizado), tales como:

- sistemas de control lógico

- sistemas analógicos

-sistemas digitales

1.1.1.5.1.-Control lógico

El primero de ellos, el control lógico o secuencial, está caracterizado porque las señales

intercambiadas entre el proceso y el controlador son binarias, es decir, sólo tienen dos estados

posibles (0 ó 1).

La forma de estas señales hace que los accionadores que actúan a la entrada del proceso y los

medidores que envían la información sobre la salida del proceso, sean dispositivos con dos únicos

estados posibles, tales como válvulas que permanecen abiertas o cerradas, motores que se

ponen en marcha o están parados, medidores que se disparan cuando la variable medida

sobrepasa un cierto valor, etc...

En este tipo de control, un ordenador puede sustituir, con un programa que ejecuta, a un circuito

lógico de tipo secuencial. Esta sustitución se está realizando en el campo industrial de una manera

extraordinariamente rápida, especialmente utilizando microprocesadores. Es frecuente denominar

a los sistemas de control lógico con ordenador, sistemas de lógica programada o autómatas

programables, diferenciándolos de los sistemas con circuitos lógicos convencionales que se

denominan de lógica cableada.

1.1.1.5.2.-Control analógico








Una gran parte de los controladores usados en las últimas décadas elaboran la señal de mando a

través de un tratamiento continuo de la señal de error:

Este tratamiento consiste en la simple amplificación del error de regulación, la derivación

respecto al tiempo o la integración a lo largo del mismo, dando lugar a las acciones:

-proporcional (P)

- integral (I)

-derivativa (D)

En muchos casos, el controlador realiza una combinación de estas acciones.

La tecnología en estos controladores analógicos era, antes de 1950, neumática, hidráulica o

electromecánica. Con posterioridad a esta fecha, los controladores analógicos electrónicos han ido

ganando terreno gracias en gran parte al desarrollo de los amplificadores operacionales.

Un ejemplo de controlador proporcional realizado con operacionales, es el que se muestra en la

siguiente figura, el cual esta compuesto por un amplificador sumador seguido de un circuito

inversor:








La aceptación y utilización del control analogico se debe a varias razones, como son:

- Son controladores robustos, es decir, exhiben el comportamiento deseado a pesar de

la presencia de incertidumbres significativas en la planta (proceso). Tambien son

resistentes.

-Son muy populares en la industria e ingeniería, debido a su comportamiento robusto

en un rango amplio de condiciones de operación y parcialmente también a su simplicidad

funcional que permite operarlos de una forma simple y directa.

Cuando se habla de robustez, es la sensibilidad a efectos que no se consideran en la fase de

análisis y de diseño (por ejemplo perturbaciones, ruido de medida y dinamicas no

modeladas). Son por estos motivos, por los que el sistema debería ser capaz de resistir estos

efectos despreciados cuando realiza las tareas para las cuales fue diseñado.

Por lo tanto, un sistema de control es robusto cuando:

1.-Tiene sensibilidades pequeñas

2.-Es estable sobre el rango de variaciones de parametros

3.-El comportamiento continúa cumpliendo las especificaciones en presencia de un

conjunto de cambios en los parámetros del sistema

1.1.1.5.2.-Control digital

La aplicación de técnicas digitales a la automatización comienza en 1959 con la instalación de los

primeros ordenadores de procesos. A partir de estas primeras tímidas experiencias, el crecimiento

de la utilización de los ordenadores en la automatización industrial ha sido exponencial.








En un sistema de control por ordenador, este último reemplaza en sus funciones a uno o varios

controladores analógicos pero, a diferencia de estos últimos, el ordenador digital adquiere y

procesa las señales en forma digital, lo que hace necesaria la conversión analógico-digital de

las señales suministradas por los medidores y transductores. El ordenador mediante software,

elabora a partir de estas entradas las señales de control que deben ser convertidas de nuevo

en analógicas para actuar sobre el proceso.

La aceptación y utilización del control por ordenador se debe a varias razones, como son:

- Capacidad, prácticamente sin límite, para realizar sofisticadas acciones de control

sobre el proceso.

- Posibilidad de cambio automático de la acción de control, simplemente seleccionando

otro de los programas del ordenador, por ejemplo una acción proporcional o PID puede ser

alterada por un sencillo cambio en software. Es decir no ser requieren cambios en el

hardware o cableado eléctrico.

- Cálculo sin errores y sin problemas de saturaciones, temperatura, offset y otras

desviaciones existentes en los controladores de tecnología analógica.

- Capacidad de realizar otras funciones auxiliares importantes, como son, el

tratamiento de datos y la supervisión del proceso controlado.

Los procesos reales siguen una pauta parecida a la que se muestra en el siguiente figura, que es lo

que se llama la cadena de medida:








Mediante este tipo de control, se puede realizar tratamientos de datos, que es la operación cuyo

objetivo es recabar la máxima información sobre el funcionamiento del proceso. Dentro de este

conjunto de operaciones se agruparían la recogida de información, midiendo periódicamente el

valor de determinadas variables y parámetros y realizando un pre-tratamiento con el objeto de

normalizar valores, convertir unidades, linealizar ciertos parámetros, etc., el procesado de la misma

con el fin de realizar ciertos cálculos, análisis estadísticos, etc., el almacenamiento en díspositivos

al efecto y la presentación en forma gráfica sobre pantalla o visualizador o escrita sobre impresora.

Otro grupo de funciones denominado de supervisión incluye dos tipos de éstas:

-alarma

-supervisor

La primera tiene por objeto verificar el correcto funcionamiento del proceso y avisar cuando se

produzca un fallo. Normalmente los sistemas de alarma funcionan comparando los valores de las

variables con unos valores preestablecidos e indicando si la diferencia rebasa unos topes. Las

operaciones de supervisor facilitan las acciones manuales del operador sobre el proceso.

Podrían ser la comprobación de la corrección de las acciones del operador, indicación de acciones

a ejecutar en situaciones de alarma o arranque, presentación de información importante para la

toma de decisiones, etc.








Un ejemplo de la cadena de medida seria una empresa que realiza pinturas:

1.1.1.6.-Ejemplos de sistemas modernos de control

El control por realimentación es un hecho fundamental de la industria y la sociedad modernas.

Conducir un automóvil es una tarea agradable cuando el coche responde rápidamente a las

órdenes del conductor. Muchos automóviles tienen dirección y frenos asistidos con amplificadores

hidráulicos para aumentar la fuerza de los frenos o del volante de la dirección. En la siguiente figura

se muestra un sencillo diagrama de bloques del sistema de control de la dirección de un automóvil.








El rumbo deseado se compara con una medición del rumbo real para generar una medida del error

tal como se muestra en la siguiente figura:

Esta medida se obtiene por realimentación visual y táctil (movimiento del cuerpo). Hay una

realimentación adicional de la sensación percibida por la mano (sensor) sobre el volante de la

dirección. Este sistema de realimentación es una versión familiar del sistema de control de la

dirección en un barco o los controles de vuelo en un gran avión.

En la siguiente figura se muestra una típica respuesta de la dirección del viaje:








En la siguiente figura se muestra un sistema básico de lazo cerrado de control manual para regular

el nivel de líquido en un depósito:

La entrada es un nivel de referencia de líquido que debe mantener el operador. (El operador

memoriza esta referencia.) El amplificador de potencia es el operador y el sensor es visual. El

operador compara el nivel real con el deseado y abre o cierra la válvula (actuador) ajustando así la

salida de líquido para mantener el nivel deseado.

Otros conocidos sistemas de control tienen los mismos elementos básicos del sistema de la

siguiente figura:








Un refrigerador tiene un ajuste de temperatura o temperatura deseada, un termostato para medir la

temperatura real y el error. y un motor compresor para amplificación de potencia. Otros ejemplos en

el hogar son el horno, la cocina y los calentadores de agua. En la industria hay controles de

velocidad, presión, temperatura, posición, espesores, composición y calidad, entre muchos otros.

Otros ejemplos más complejos de sistemas automatizados seria el de un sistema de una central

térmica que regula la generación de energía eléctrica.

Esta industria tiene como principal interés la conversión, control y distribución de energía. Es crítico

que el control por ordenador se aplique cada vez más en la industria energética para mejorar el uso

eficiente de los recursos energéticos. También ha tenido un incremento importante el control de las

centrales eléctricas para minimizar la emisión de residuos contaminantes.

Las plantas modernas de gran capacidad que superan algunos cientos de megavatios, requieren

sistemas de control automático que consideren la interrelación de las variables de proceso y la

producción óptima de potencia. Es común manejar noventa o más variables con un control

coordinado. En la siguiente figura se da un modelo simplificado que muestra algunas de las

variables importantes de control en un gran sistema generador eléctrico de caldera:








Éste es un ejemplo de la importancia de medir múltiples variables, tales como presión y oxígeno,

con el fin de proporcionar información al ordenador para los cálculos de control.

Por otro lado, (aunque se escape de nuestro ámbito eléctrico), ha sido de interés y utilidad intentar

modelar los procesos de realimentacion esenciales en las esferas social, económica y política. Este

enfoque esta poco desarrollado en la actualidad, pero parece tener un futuro interesante. La

sociedad, por supuesto, está constituida por muchos sistemas de realimentación y estructuras de

regulacion como la Comisión de Comercio interestatal y la Junta de la Reserva Federal, que son

controladores que ejercen las fuerzas necesarias cn la sociedad con el objeto de mantener una

salida deseada. En la siguiente figura se muestra un modelo de parámetros concentrados sencillo

del sistema de control con realimentación de la renta nacional:








Este tipo de modelo ayuda al analista a entender el efecto del control del gobierno (siempre que

exista) y los efectos dinámicos de los gastos gubernamentales. Por supuesto, también existen

muchos otros lazos que no aparecen, ya que, teóricamente, el gasto del gobierno no puede

exceder a la recaudación de impuestos sin un déficit, el cual es por si mismo un lazo de control que

contiene al Congreso y al Servicio de Rentas Publicas Internas. Por supuesto, en un país socialista

lo que se promueve no es el lazo de los consumidores sino el control gubernamental. En ese caso,

el bloque de medida debe ser exacto y debe responder rápidamente. Ambas son características

muy difíciles de alcanzar en un sistema burocrático.

Este tipo de modelo con realimentación político o social, aunque generalmente no es riguroso, sí

proporciona información y conocimiento.

1.1.1.7.-Diseño de sistemas de control

El objetivo del diseño en ingeniería de control es obtener la configuración, especificaciones e

identificación de los parámetros claves de un sistema propuesto para satisfacer una necesidad real.

El primer paso en el proceso de diseño consiste en establecer los objetivos del sistema.

Por ejemplo, se puede decir que el objetivo es controlar la velocidad de un motor de manera

precisa.








El segundo paso es identificar las variables que se desean controlar (por ejemplo la velocidad

del motor).

El tercer paso es escribir las especificaciones en función de la precisión que se debe

alcanzar. Esta precisión de control requerida conducirá entonces a la identificación de un sensor

para medir la variable controlada.

Como diseñadores, hay que proceder al primer intemo para configurar un sistema que tenga el

comportamiento de control deseado. La configuración del sistema normalmente consistira en un

sensor, el proceso bajo control, un actuador y un controlador, tal como se muestra en la siguiente

figura:

El cuarto paso consiste en identificar un candidato para el actuador. Esto dependerá, por

supuesto, del proceso, pero la actuación escogida debe ser capaz de ajustar de forma efectiva el

comportamiento del proceso. Por ejemplo, si se desea controlar la velocidad de rotación de un

volante se seleccionará un motor como el actuador. El sensor, en este caso deberá ser capaz de

medir de manera precisa la velocidad.

El quinto paso es obtener un modelo para cada uno de estos elementos (actuador y sensor).

El sexto paso siguiente es la selección de un controlador, que con frecuencia consiste en un

amplificador de suma que comparará la respuesta deseada y la respuesta real, para luego transferir

esta señal de medida del error a un amplificador.

El séptimo paso es el ajuste de los parámetros del sistema con el fin de lograr el

comportamiento deseado. Si se puede conseguir el comportamiento deseado ajustando los

parámetros se finalizará el diseño y se procederá a documentar los resultados. Si no es así, se

necesitará establecer una nueva configuración del sistema y quizás seleccionar un actuador y un

sensor mejores. A continuación se repetirán los pasos del diseño hasta que se cumplan las

especificaciones o hasta que se decida que éstas son demasiado exigentes y deberían reducir el

nivel de exigencia.

En la siguiente figura se resume el proceso de diseño del sistema de control:








Las especificaciones de comportamiento describirán cómo debería funcionar el sistema en lazo

cerrado e incluirán:

1.- Una buena regulación frente a las perturbaciones

2.- Una respuesta deseable a las órdenes de entrada

3.- Señales realistas del actuador

4.- Baja sensibilidad

5.- Robustez.

En la actualidad, el proceso de diseño se ha visto notablemente afectado por la aparición de

ordenadores potentes y económicos y por un software eficaz para el análisis y diseño de sistemas








de control. Por ejemplo, la empresa Boeing (fabricante de aviones), incorpora los más avanzados

sistemas de vuelo, compuesto por diversidad de controladores.

En resumen, el problema de diseño del controlador consiste en lo siguiente:

Dado un modelo del sistema que se desea controlar (incluyendo sus sensores y

actuadores) y un conjunto de objetivos de diseño, encontrar un controlador apropiado o

determinar, si existe alguno. Como sucede con la mayoría de los diseños en ingeniería, el

diseño de un sistema de control con realimentación es un proceso iterativo y no lineal. Un

buen diseñador debe considerar los fundamentos físicos de la planta que está bajo

control, la estrategia de diseño del control, la arquitectura del controlador (esto es, qué

tipo de controlador se va a emplear) y estrategias eficaces para la sintonía del

controlador. Además, una vez finalizado el diseño, el controlador se implementa con

frecuencia en hardware, por lo que pueden aparecer problemas de comunicación con

dicho hardware. Cuando se consideran conjuntamente, estas diferentes fases del diseño de

los sistemas de control hacen que la tarea de diseñar e implementar un sistema de control

resulte bastante dura y ardua.

1.1.1.8.-Ejemplos de diseño de control automatico

1.1.1.8.1.-Diseño del control de velocidad de una mesa giratoria:

Muchos dispositivos modernos utilizan una mesa giratoria para rotar un disco a velocidad

constante. Por ejemplo, un reproductor de CD, una unidad de disco de un ordenador y un

tocadiscos requieren todos una velocidad constante de rotación a pesar del desgaste y variaciones

del motor y otros cambios de sus componentes. El objetivo es diseñar un sistema para el control de

velocidad de una mesa giratoria que asegure que la velocidad real de rotación está dentro de un

porcentaje especificado de la velocidad deseada.

Se realizara el diseño mediante un sistema sin realimentación y un sistema con realimentación.

Para obtener la rotación del disco, se seleccionará un motor de CC como el actuador, ya que

proporciona una velocidad proporcional al voltaje aplicado al motor. Para voltaje de entrada al

motor, se seleccionará un amplificador que pueda proporcionar la potencia requerida.








Lazo abierto:

En la siguiente figura se muestra el sistema en lazo abierto (sin realimentación):

El sistema emplea una batería para proporcionar una tensión que es proporcional a la velocidad

deseada. Este voltaje se amplifica y se aplica al motor.

En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques del sistema en lazo abierto identificando el

dispositivo de control, el actuador y el proceso:

Lazo cerrado:

Para obtener un sistema realimentado, se necesitará seleccionar un sensor. Un sensor útil es un

tacómetro que suministra un voltaje de salida proporcional a la velocidad de su eje. Así el sistema

con realimentación en lazo cerrado toma la forma que se muestra en la siguiente figura:








En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques del sistema con realimentación:

El voltaje de error se genera por la diferenta entre el voltaje de entrada y el voltaje del tacómetro .

Conclusion:

Es de esperar que el sistema en lazo cerrado sea superior al de lazo abierto, porque el lazo cerrado

responderá a los errores y operara para reducirlos. Con componentes de precisión, se podría

conseguir reducir el error del sistema con realimentación a una centésima del error del sistema en

lazo abierto.

1.1.1.8.2.-Diseño de un sistema de control para la dosificación de insulina:

Para este ejemplo y los ejemplos de diseño que siguen. se utilizará el proceso de diseño de los

sistmas de control siguiendo los pasos que se explicaron en apartados anteriores:








En primer lugar, se desarrolla un plan de diseño preliminar llevando acabo los pasos del 1 al 4 del

proceso de diseño.

Como dictamina el diagrama, primero se establecerá el objetivo del control, segundo se

identificarán las variables de control, tercero se escribirán las especificaciones preliminares y cuarto

se establece una o más configuraciones posibles del sistema.

Los sistemas de control han sido utilizados en el campo biomédico para crear sistemas automáticos

de dosificación de medicamentos implantados en el paciente. Los sistemas automáticos se pueden

utilizar para regular la presión de la sangre, el nivel de azucar en sangre y el ritmo cardíaco. Una

aplicación común de la ingeniería de control está en el campo de los sistemas en lazo abierto de

suministro de fármacos, en los cuales se utilizan modelos matemáticos de la relación dosis-efecto

del fármaco. Un sistema de suministro de fármaco implantado en el cuerpo emplea un sistema en








lazo abierto ya que todavía no están disponibles sensores de glucosa miniaturizados. Las mejores

soluciones descansan en bombas de insulina de tamaño de bolsillo que son programables y que

pueden suministrar insulina de acuerdo con un plan temporal prefijado. Sistemas más complicados

usarán sistemas en lazo cerrado para la medida de los niveles de glucosa en la sangre.

Diseño del sistema:

-El objetivo (paso 1) es diseñar un sistema para regular la concentración de azúcar en la

sangre de un diabético. En la siguiente figura, se muestran las concentraciones de glucosa

en sangre y de insulina para una persona saludable:

El sistema debe proporcionar la insulina desde un depósito implantado dentro de la persona

diabética.

-Así pues, la variable que se desea controlar (paso 2) es la concentración de glucosa en la

sangre.

-La especificación para el sistema de control (paso 3) es proporcionar un nivel de glucosa en

la sangre para el diabético que se aproxime mucho (siga) al nivel de glucosa de una persona

saludable.

-En el paso 4, se propone una configuración preliminar del sistema. Un sistema en lazo

abierto utilizaría un generador de señal preprogramado y una bomba de motor en miniatura








para regular la velocidad de suministro de insulina, tal como se muestra en la siguiente

figura:

El sistema de control en lazo cerrado emplearía un sensor para medir el nivel de glucosa

real y comparar ese nivel con el nivel deseado para mover así el motor de la bomba cuando

se requiera, tal como se muestra en la siguiente figura:

1.1.1.8.3.-Diseño de un sistema de lectura de una unidad de disco:

Considérese el diagrama básico de lIna unidad de disco que se muestra en la siguiente figura:

El objetivo del dispositivo de lectura de la unidad de disco es posicionar la cabeza lectora con el fin

de leer los datos almacenados en una pista del disco (paso 1), La variable a controlar de forma








precisa (paso 2) es la posición de la cabeza de lectura (montada sobre un dispositivo de

deslizamiento). El disco gira a una velocidad entre 1800 y 7200 rpm y la cabeza «vuela» por encima

del disco, una distancia de menos de 100 nm. La especificación inicial para la precisión de la

posición es de μm (paso 3). Más aún, se desea, si es posible, poder mover la cabeza desde la pista

a hasta la pista b dentro de un intervalos de 50 ms. De esta forma se establece la configuración

inicial que se muestra en la siguiente figura:

Este sistema en lazo cerrado propuesto emplea un motor para actuar (mover) el brazo a la posición

deseada en el disco.

Ejercicio 1:

Se desea controlar la temperatura de un horno.

La siguiente figura representa un sistema que permite controlar la temperatura de un horno,

actuando sobre una resistencia calefactora que proporciona la energía calorífica necesaria para

alcanzar la temperatura deseada.








La temperatura del horno se mide con un medidor de temperatura, por ejemplo, un termopar que

proporciona una señal eléctrica que es función de la temperatura que le rodea, la señal eléctrica del

medidor es de bajo nivel, unos pocos milivoltios, que debe ser amplificado con un acondicionador

de señal y posteriormente se compara con la consigna en un comparador y se amplifica la

diferencia con un amplificador para poder actuar sobre la resistencia eléctrica.

Las paredes del horno están realizadas con un material aislante y dispone de una puerta para

introducir o sacar material, que es por donde pueden producirse unas ciertas pérdidas energéticas

del interior y también dispone de un ventilador que homogeneíza la temperatura del interior.

Funcionamiento:

Estando el horno aislado del exterior (puerta cerrada) y a una cierta temperatura constante, si se

desea alcanzar una temperatura más alta, se aumentará la tensión de consigna por encima de la

tensión proporcionada por el medidor-acondicionador, la diferencia, que es positiva, es amplificada

y actúa sobre la resistencia eléctrica proporcionando energía calorífica al horno aislado y por

consiguiente, aumentará paulatinamente la temperatura del horno y la tensión del

medidor-acondicionador, disminuyendo la diferencia respecto de la consigna. Si el horno está

perfectamente aislado (condición hipotética difícil de cumplir en la práctica, que supone nulas las

pérdidas de energía) alcanzará la temperatura que proporcione una tensión del

medidor-acondicionador idéntica a la de consigna, anulando la diferencia entre las dos señales en

el comparador y, en consecuencia, el amplificador no enviará señal a la resistencia calefactora y, al








no generarse ni perderse la energía calorífica del interior del horno, la temperatura se mantendrá

constante e ignaI al valor de consigna.

Si estando en esta situación de equilibrio, se abre durante un cierto tiempo la puerta del horno para

introducir o sacar algún material se produce una pérdida de energía calorífica que repercutirá en el

horno bajando la temperatura interior y por consiguiente disminuirá la tensión proporcionada por el

medidor-acondicionador, aumentando así la diferencia del comparador y también la señal

amplificada que actúa sobre la resistencia, compensando la energía que se pierde por la puerta con

un incremento de energía generada por la resistencia, frenando la caída de temperatura y

alcanzando un punto de equilibrio en la temperatura del horno a pesar de estar la puerta abierta.

Si a continuación se cierra la puerta del horno súbitamente subirá la temperatura, aumentando la

tensión del medidor-acondicionador por encima incluso de la tensión de consigna, por lo que la

diferencia entre las dos señales será negativa en el comparador y el amplificador no enviará señal

de alimentación a la resistencia calefactora, alcanzando de nuevo un punto de equilibrio ya que no

se producirá ni se perderá energía calorífica, por tanto la temperatura del horno se mantendrá

constante.

Realizar la caracterización del proceso (que representa que es proceso a controlar,etc) y el

diagrama de bloques (sistema de control).

Ejercicio 2:

La siguiente figura representa un sistema que permite controlar la velocidad angular de un motor de

corriente continua, actuando sobre la tensión de armadura del motor, suponiendo que la tensión del

estator es constante.








La velocidad de giro del motor se mide con un medidor de velocidad, una tacodinamo solidaria al

eje motor y que proporciona una tensión eléctrica función de la velocidad. El comparador calcula la

diferencia entre la señal de consigna y la señal proporcionada por la tacodinamo, el amplificador

amplifica esta diferencia para actuar sobre la armadura del motor de corriente continua. El par

motor produce un giro del eje del motor que puede ser acelerado o frenado por una carga (por

ejemplo si el motor desplaza la cabina de un ascensor, a! ascender genera un par resistente que

frena el movimiento del motor y al descender la cabina crea un par de ayuda que acelera el

movimiento del mismo).

Funcionamiento:

Estando el motor girando en un sentido a velocidad constante, si se modifica la carga aplicada al

eje del motor, por ejemplo aumentando el par resistente, disminuye la velocidad de giro del motor y

por consiguiente, la tensión que proporciona la tacodinamo, aumentando la diferencia entre la

consigna y el medidor de velocidad y por tanto, se incrementa la tensión amplificada que se aplica

al motor, compensando de esta manera la caida inicial de la velocidad del motor, es decir, la

velocidad del motor varia con la tensión aplicada.

Si por el contrario, disminuye el par resistente o se aplica un par que ayuda al desplazamiento del

motor, se crea una aceleración del movimiento y por tanto, un aumento de su velocidad que

proporciona una tensión superior de la tacodinamo y por tanto la diferencia con la consigna

disminuirá, reduciendo la seña! amplificada que se aplica a! motor y por consiguiente, se

compensará la subida momentánea de velocidad con este sistema de control.








El motor por motivos de uso, tiene errores de funcionamiento, es decir cuando pasas de cierta

tensión el motor no gira a la velocidad que debería girar.

Ejercicio 3:

El proceso de aprendizaje entre profesor y alumnado es un proceso realimentado que tiende a

reducir a un mínimo el error del sistema. La salida deseada es el conocimiento a adquirir, y

podemos considerar que el estudiante es el proceso. Siguiendo la estructura clásica de sistema

realimentado construir un modelo para este proceso identificando cada bloque del sistema.

Ejercicio 4:

Representar un diagrama bloques aproximado para un sistema de calefacción doméstica. Identificar

la función de cada elemento del sistema controlado termostaticamente.

Ejercicio 5:

Muchos sistemas de control emplean un operador humano como un componente del sistema de

control en lazo cerrado. Representar el diagrama bloques correspondiente al sistema presentado a

la siguiente figura:








El controlador es el operador, por tanto será un control manual.

Ejercicio 6:

En un proceso quimico determinado es de mucha utilidad controlar la composición química del

producto final. Por medir la composición se puede emplear un analizador de infrarrojos conectado

en paralelo tal y como se ve en la siguiente figura:

Para controlar la concentración de aditivo, se actúa sobre la válvula de paso. Representar el

diagrama bloques correspondiente al sistema.

Ejercicio 7:

El reloj de agua representado en la siguiente figura, se utilizó desde poco antes de Cristo hasta el

siglo XVII. Analizar su funcionamiento y establecer de qué manera el flotador proporciona un control

realimentat para mantener la exactitud del reloj. Representear el diagarma de bloques.








Ejercicio 8:

Se están desarrollando vehículos aéreos no tripulados para operar en el aire autónomamente por

largos periodos de tiempo. Por autónomo, se quiere expresar que no hay interacción con

controladores humanos en tierra. Represéntese un diagrama de bloques de un vehículo aéreo

autónomo cuya tarea es supervisar la cosecha utilizando fotografía aérea. El UAV debe fotografiar y

transmitir en vuelo la superficie de tierra completa siguiendo una trayectoria preespecificada de

forma tan precisa como sea posible.

Ejercicio 9:

Para controlar las emisiones y obtener un mejor rendimiento de combustible por kilómetro de los

automóviles, se emplean computadores pequeños. Un sistema de inyección de combustible

controlado por computador que de forma automática autoajusta la relación de la mezcla aire-

combustible puede mejorar el rendimiento de combustible por kilómetro y reducir de forma

significativa la emisión de productos contaminantes no necesitados. Dibújese el diagrama de

bloques de tal sistema para un automóvil.








Ejercicio 10:

Una innovación para un limpiaparabrisas de un automóvil, es el concepto de ajustar su ciclo de

limpieza de acuerdo con la intensidad de la lluvia. Pensar cómo podría ser este control y

representár un diagrama de bloques del sistema de control del limpiaparabrisas.

Ejercicio 11:

En la siguiente figura se muestra un brazo de un robot reforzado por soldar grandes estructuras.

Representár el diagrama de bloques de un sistema de control con realimentación por lazo cerrado

para controlar de manera precisa la localización de la punta de soldar.

Ejercicio 12:








Hoy en día, muchos coches de gama media alta, se venden equipados con un control de velocidad

de forma que, al polsar un botón automáticamente mantienen su velocidad de forma fija. De esta

forma el conductor puede mantenerse en un límite de velocidad o velocidad económica sin tener

que estar continuamente comprobando el velocímetro. Diseñar un control con realimentación en

forma de diagrama de bloques de un control de velocidad.



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