Sistemas Automáticos

Sistemas Automáticos

1.1. INTRODUCCIÓN A LA AUTOMÁTICA

El control automático ha jugado un papel importante en el avance de la ingeniería. Además de su importancia en vehículos espaciales, en control de proyectiles, etc., el control automático se ha convertido en parte importante en los procesos industriales.

El control automático resulta esencial en operaciones industriales como de control de presión, temperatura o humedad en las industrias de procesos; en el maquinado, manejo y armado de piezas en las industrias de fabricación, etc.

Como ejemplos de sistemas automáticos podríamos citar desde un simple tostador de pan, pasando por una lavadora, el control de velocidad de un motor, el control de temperatura de una vivienda, un sistema de defensa antiaérea el control de temperatura y presión de una central nuclear, etc.

La teoría de regulación automática, o teoría de control, estudia el comportamiento dinámico de un sistema frente .1 órdenes de mando o a perturbaciones.

1.2. DEFINICIONES

Antes de introducirnos en el estudio de los sistemas de control, debemos conocer una serie de definiciones y términos que vamos a utilizar en el desarrollo de los apartados del tema.

Planta: Conjunto de componentes y piezas que van a tener un determinado objetivo.

Proceso: Conjunto de operaciones que se van a suceder y que van a tener un fin determinado.

Sistema: Combinación de componentes que actúan juntos para realizar el control.

Perturbaciones: Todas las señales indeseadas que intervienen de forma ad-versa en el funcionamiento de un sistema. Pueden ser internas si se generan dentro del sistema, o externas si se generan fuera del sistema y constituyen una entrada.

Entrada de mando: Señal excitadora del sistema que es independiente de la salida del mismo.

Selector de referencia: Elemento que se coloca para tener una referencia. Unidad que establece el valor de la entrada de referencia. Se calibra en función del valor deseado en la salida del sistema.

Entrada de referencia: Señal producida por el selector de referencia.

Unidad de control: Unidad que reacciona con una señal activa para producir la salida deseada. Realiza el trabajo de gobernar la salida.

Salida: Cantidad que debe mantenerse en un valor fijado de antemano. Se considera la variable gobernada.

Sistema de control en bucle abierto: Sistema en el que la salida no tiene in-fluencia sobre la entrada.

Elemento de realimentación: Unidad que facilita medios para aumentar o disminuir la señal de salida.

Señal activa: Señal que es la diferencia entre la señal de entrada de rete-cia y la salida realimentada.

Sistema de control de bucle cerrado: Sistema en el que la salida afecta a la entrada, de tal manera que mantenga el valor de salida deseado.

1.3. SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO

Sistemas de control en lazo abierto son sistemas en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, o dicho de otra forma, son aquellos en los que la señal de salida no tiene influencia sobre la señal de entrada, tal como podemos ver en la Figura 11.1.

La variable que deseamos controlar puede diverger considerablemente del valor deseado debido a las perturbaciones externas, por lo que, en este tipo de sistemas interesa una gran calibración de los componentes que forman las di-versas etapas, así como la no existencia de dichas perturbaciones.

Los sistemas en lazo abierto responden al esquema de la Figura 11.1.

Por ejemplo, si queremos mantener constante la temperatura de una habitación, esta temperatura es la variable física de entrada que interesa controlar.

El control sobre el proceso puede ser efectuado de varias formas; una de las más usuales responde al diagrama de bloques de la Figura 11.2.

El operador actúa sobre la señal de mando (1) que, en nuestro ejemplo, es la temperatura deseada. Un componente del sistema de control denominado transductor se encarga de transformar una determinada magnitud de entrada en otra de salida más apta para su manipulación denominada señal de referencia (2).

Esta señal de referencia, una vez amplificada, actúa sobre el proceso para obtener la señal controlada (3), en nuestro caso la temperatura que debe tener la habitación.

En los procesos en lazo abierto, tiene mucha importancia la variable tiempo. En nuestro ejemplo, el tiempo de funcionamiento de la caldera. Si esta variable está bien diseñada, obtendremos una temperatura que se parecerá más o menos a la deseada en (1) mientras no cambien las condiciones.

Si por ejemplo las condiciones de temperatura exterior cambian, el sistema no lo sabrá y, por tanto, estará funcionando el mismo tiempo y sin conocimiento de esta perturbación exterior, cuando en realidad tendría que actuar más o menos en función de que la temperatura exterior suba o baje. Los cambios exteriores significan perturbaciones del sistema (4) en la Figura 11.2.

Como vemos en el ejemplo, si en un sistema en lazo abierto existen perturbaciones, no obtendremos la variable deseada, por lo que tendríamos que recurrir a otro sistema de control, como el que se verá a continuación.

Como ejemplos de sistemas de control en la/o abierto, podemos citar des-de un simple tostador de pan, pasando por una máquina de lavar, hasta incluso el control de la velocidad de un motor derivación.

1.4 SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO

Según hemos visto en el punto anterior, si en un proceso se presentan perturbaciones no podemos utilizar sistemas de control en lazo abierto.

Resulta más conveniente cuantificar (referenciar) la señal o variable controladora e intervenir en la cadena de mando para que la variable controlada se parezca lo más posible a la señal de referencia dada por la señal de mando. Por ello, es necesario realiza una realimentación de la variable de salida a la entrada. Este procedimiento se denomina control en lazo cerrado, y su diagrama de bloques lo podemos ver en la Figura 11.1.

Se definen los sistemas de control en lazo cerrado como aquellos en los que existe una realimentación de la señal de salida, o dicho de otra forma, aquellos en los que la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control.

Otra forma de representar el sistema de control en lazo cerrado la podemos observar en la Figura 11.4.

En algunas ocasiones, la señal controlada y la señal de referencia no son de la misma naturaleza, por ejemplo, la señal controlada puede ser una velocidad; y la señal de referencia una tensión.

El instrumento encargado de detectar la señal de salida para utilizarla de nuevo es el Captador (Fig. 1.4). Este elemento mide la señal controlada y la transforma en una señal que puedan entender los demás componentes del sistema controlador. Los tipos más habituales de señales empleadas suelen ser neumáticas o eléctricas.

Las señales neumáticas empleadas suelen ser señales variables que oscilan linealmente entre 3 y 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o entre 0,2 y 1 kg/cm2.

En cambio, las señales eléctricas que se utilizan suelen tomar valores comprendidos entre 4 y 20 mA, o entre 1 y 5 V en corriente continua.

El siguiente paso consiste en comparar la señal de referencia con la señal controlada (que el captador ha transformado en señal realimentada), para de terminar cuál es la diferencia existente entre ambas. Esta operación se realiza mediante un comparador que proporciona a su salida la señal de error.

Esla señal de error se denomina señal activa y es la que entra al regulador o controlador.

El controlador debe actuar de manera que la variable controlada siga las variaciones de la variable de referencia o corrija los efectos de las perturbaciones, con la máxima rapidez, la máxima exactitud, y el mínimo de oscilaciones posible.

En este elemento se deben ajustar óptimamente una serie de parámetros para obtener una respuesta deseada. Por ello, este elemento se considera el núcleo del sistema controlador.

A la salida del controlador obtenemos la variable o señal corredora precisa para conseguir un control óptimo del sistema.

Pueden emplearse controladores mecánicos, hidráulicos, neumáticos o eléctricos. Estas designaciones indican el portador a través del cual el controlador recibe o transmite información.

Un ejemplo de control en bucle cerrado es el control de temperatura de una habitación mediante un termostato. Este elemento compara la temperatura indicada por el selector de referencia con la temperatura ambiente de la habitación, proporcionando, en el caso de no ser iguales, una señal activa que actúa sobre la caldera para ponerla en marcha, hasta que las diferencias de temperaturas sean cero.

Además del ejemplo citado anteriormente, como sistema de control en lazo cerrado podemos enumerar también:

• Mecanismo de llenado de una cisterna de agua.

• La acción de un ser humano al desplazarse.

• El sistema de evaluación de un alumno en el colegio.

• Dispositivo de direccionamiento de un cañón.

• Control de nivel de potencia de un reactor nuclear.

• Relación salarios-precio-inflación.

• Sistemas de control de nivel de líquidos y sólidos.

1.5. CRITERIOS Y ESPECIFICACIONES DE DISEÑO

La adecuación de la variable controlada, ante una variación de la señal de mando o una perturbación, no es instantánea, sino que requiere

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