Instrumentacion y Control

7/13/2019 Instrumentacion y Control

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Profesorado en Tecnologa para la E.G.B. 3 y Nivel Polimodal


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Sistema de Control : el objetivo del sistema de control esgobernar controlara un sistema ms amplio del cual formaparte.


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Son aquellos en los que la informacin que da la salida del sistemano tiene influencia sobre la entrada del mismo.

Lo encontramos en: una cocina de gas, un ventilador, un secadorde cabello, una licuadora...


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Son aquellos en los que la informacin que da la salida del sistematiene influencia sobre la entrada del mismo; si existe desviacin entre

la salida real y la deseada, el sistema de control efecta los ajustesnecesarios para que la salida real se aproxime lo ms posible a lasalida deseada. En este sistema de control existe realimentacin feedback.

Lo encontramos en: una heladera, una plancha, un termotanque...


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Un sistema de control automtico en un determinado proceso, es aquel

en el que un dispositivo, compara el valor efectivo de la salida de eseproceso respecto de un nivel deseado, determinando la desviacin(salida real respecto a la salida deseada) que se produce, y generadouna seal de control que actuar sobre el sistema para reducir ladesviacin a cero o a un valor muy pequeo.


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Las seales del sistema de control tambin se conocen conotras denominaciones:

Seal de referencia seal de consigna Seal de desviacin seal de divergencia o

seal de error Seal de realimentacin seal de

retroalimentacin o seal de feedback

Observamos sistemas de control automtico en:

equipos de aire acondicionado individual, una cafeteraelctrica, una plancha, algunos sistemas de enfriamiento de agua del

radiador de un automvil, el sistema de control de temperaturadel agua de una pecera, un calefactor elctrico de ambiente,

etc.


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Esto ocurre cuando un aumento de la seal de realimentacinproduce un aumento en la salida del sistema: la situacin final

cada vez tiene ms divergencia con respecto a la situacininicial. Tambin es vlido para la disminucin. En cualquiera de los

casos, el sistema tiende al desequilibrio (destruccin obloqueo, respectivamente). Es decir, el sistema tiende al

COLAPSO.


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Realimentacin Negativa: en una realimentacin negativa, toda variacin haciael ms, implica una correccin hacia el menos; e inversamente. Hay regulacin;el sistema oscila alrededor de una posicin de equilibrio.Realimentacin negativa convergencia hacia un fin (de Rosnay, Jol. 1977. Elmacroscopio. Hacia una visin global. AC. Madrid)


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Elementosde Control

Elementos de

realimentacin

Planta oProceso

Transductor Regulador Proceso

Captador

SalidaS. Entrada

S. Realimentacin

S. Error

+

_

S. Mando S. Referencia

+

S. Activa

_S. Manipulada

S. Controlada

S. Realimentada

PERTURBACIONES

Regulador o Controlador


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Planta: conjunto de componentes y piezas que van atener un determinado objetivo. Proceso: conjunto d operaciones que se van a

suceder y que van a tener un fin determinado. Sistema: combinacin de componentes que actan

juntos para realizar el control. Perturbaciones: todas las seales indeseadas que

intervienen de forma adversa en el funcionamientode un sistema, modificando el valor de salida delsistema. Internas si se generan dentro del sistema, oExternas si se generan fuera del sistema yconstituyen una entrada.


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Selector de referencia: elemento que se coloca paratener una referencia. Establece el valor de la entradade referencia. Se calibra en funcin del valor deseadoen la salida del sistema.

Unidad de control: unidad que reacciona con unaseal activa para producir la salida deseada.Gobierna la salida.

Salida: cantidad que debe mantenerse en un valor

fijado de antemano. Se considera la variablegobernada.

Elemento de realimentacin: unidad que facilitamedios para aumentar o disminuir la diferencia

entre la entrada y la salida del sistema.


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Seal de mando: seal excitadora del sistema decontrol que es independiente de la salida del mismo.

Seal de referencia: la seal de mando a la salida deltransductor.

Seal activa: seal que es la diferencia entre la sealde entrada de referencia y la seal realimentada. Seal realimentada: la realimentacin de la variable

de salida a la entrada. Seal manipulada: la que acta sobre la planta o

proceso a controlar. Seal controlada: la variable que deseo controlar, por

ejemplo, la temperatura deseada de la habitacin.


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Control de temperatura de una habitacin medianteun termostato.

Mecanismo de llenado de una cisterna de agua.

La accin del ser humano al desplazarse. El sistema de evaluacin de un alumno en el colegio. Dispositivo de direccionamiento de un can. Control de nivel de potencia de un reactor nuclear. Relacin salarios precios inflacin. Sistemas de control de nivel de lquidos y slidos.


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Transductores y captadores Comparadores o detectores de error. Elemento de control y regulacin.

Elementos finales o actuadores.


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Sensores (detectores o captadores): dispositivos queproducen la seal de realimentacin (analgica odigital). Intervienen en el proceso, planta o sistema.

Convierten la informacin fsica real (temperatura,

presin, nivel de lquido, nivel de iluminacin,velocidad, tiempo, intensidad de la corriente elctrica,tensin, peso, caudal, cantidad de piezas, etc.) en unaseal de realimentacin que, una vez procesada, esutilizada para supervisar y controlar el sistema.

Transductores: convierten una seal de unanaturaleza en una seal de otra naturaleza. Ej.micrfono, parlante, termocupla, detector de llama,

etc.


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Neumticas:

Entre 3 psi y 15 psi, o

entre 0,2 kg/cm y 1kg/cm.

Psi: libras por pulgadacuadrada.

1 libra = 453,59 g1 pulgada = 2,54 cm

Elctricas:

Entre 4 mA y 20 mA, o

entre 1 V y 5 V decontinua.


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SEALES ANALGICAS

Son funciones continuas devariables continuas.

Pueden adquirir un nmeroilimitado de valores, dentro de surango mximo y mnimo, en undeterminado tiempo, y an valoresmenores que cero (por ej,temperaturas negativas).

Son funciones donde no seregistra un salto entre un valor yotro.

SEAL DIGITAL BINARIA

Son funciones DISCRETAS. Solamente puede adquirir dos

estados o valores: A o B.

Se utiliza el SISTEMA DENUMERACION BINARIO, Base 2

(dos dgitos: 0 y 1). Por ejemplo: lmpara encendida

1, apagada 0; interruptorcerrado 1,abierto 0.


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DISPOSITIVOSANALGICOS

Termocuplas, Micrfonos, Dnamos tacomtricas, Caudalmetros de

turbina, Clulas fotoelctricas.

DISPOSITIVOSDIGITALES

Termostatos

bimetlicos, Presostatos, Detectores de nivel de

lquido (flotantes), Sensores apertura y

cierre de puertas, Vlvulas solenoide.


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Elemento donde se compara la seal de referencia conla seal controlada ( que el captadorha transformadoen seal realimentada), para determinar cul es ladiferencia existente entre ellas, o seal de error.

Esta seal de error se denomina seal activa y es la queingresa al regulador o controlador.


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El controlador recibe la seal activa proveniente delcomparador.

Debe actuar de manera que la variable controlada sigalas variaciones de la variable de referencia o corrija losefectos de las perturbaciones, con la mxima rapidez,la mxima exactitud, y el mnimo de oscilacionesposibles. Es el ncleo del sistema controlador.

A la salida del controlador obtenemos la seal

correctora precisa para un control ptimo del sistema. Tecnologa mecnica, hidrulica, neumtica o elctrica

como portador a travs de las cuales el controladortransmite o recibe informacin.


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Es el cerebro de un SC y el encargado de comparar unavariable fsica con el valor deseado, interpretar el erroro desviacin y actuar para intentar anularlo.

Mientras que la variable a controlar se mantenga en elvalor previsto, el controlador no actuar sobre loselementos finales.

Si esto no ocurre, el controlador modifica la seal paraactuar sobre los elementos finales, en el sentido de

corregir dicha modificacin, hasta que la variablecontrolada vuelva al valor prefijado. El tratamiento de la seal de error da origen a tres

tipos de acciones: Proporcional (P), Derivativa (D) e

Integral (I) o combinaciones P+I, P+D, P+I+D.


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Cuando se presenta una desviacin entre el punto deconsigna y el valor real, el elemento final se modificaen una cantidad proporcional al error. Estaproporcionalidad puede ser directa o inversa (si

aumenta el caudal, cierro la llave) Si el error es pequeo, el controlador originar un

pequeo cambio a la salida. Si la seal de error es grande, producir un cambio

tambin grande de la salida. No interviene el tiempo. La salida vara nicamente

en funcin de las modificaciones instantneas del PC(Pto. de consigna) o de la variable controlada.


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Sp= Kp* E + K% E = (M PC) [%] Sp = 100 / (BP) * E + 50 % Kp= 100/(BP)

BP: Banda proporcional. El % que tiene que la entrada alcontrolador para que se altere el 100 % de la variable desalida. A > BP < accin proporcional (poca Kp) yviceversa.

K: el valor de salida que proporciona el controladorcuando el error es 0%. Normalmente se le da el 50%.

Kp: Ganancia proporcional. El / entre el cambio en la saliday el cambio en la entrada. Determina la sensibilidad del

controlador.

Sp: salida, en % M: medicin. PC: punto de

consigna


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La seal de salida del mismo vara en funcin de ladesviacin y el tiempo en que la misma se mantiene. La salida se va modificando mientras se mantenga la

desviacin, y si no fuese capaz de corregirla, llevara

el elemento final hasta su mxima posicin.

SI/t = 1 / ti* E SI: salida integral. E: error (diferencia entre la medicin y el PC (pto. de consigna)). ti: tiempo integral. SI: cambio en la posicin del elemento de control (ej. vlvula). t: variacin del tiempo. SI /t: velocidad del cambio de la posicin de la vlvula (la velocidad con que se

mueve la seal de salida, y es proporcional al error existente)

Si E= 0, vlvula quieta Si E > 0: la seal de salida aumenta con el tiempo, la

vlvula ir abriendo o cerrando hasta que E = 0. Si E < 0: la seal de salida disminuye con el tiempo, la

vlvula abrir o cerrar hasta que E = 0.


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La salida ha de cambiar proporcionalmente a lavariacin de la medicin.

SD td* M / t

Siendo:SD : salida derivativatd: tiempo derivativo (un parmetro usado para dar > o

< importancia a la accin derivativa).

M: Medicin. Si M=ctte., no existe accin derivativa. En caso contrario, se opone a las con una accin proporcional a la

rapidez de las mismas.

Se usa P+D o P+I+D.


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Transductor: elemento que transmite informacin desu entrada a su salida.

Adaptan un tipo de energa en otro tipo de energams conveniente para ser usada por el controlador.

Transforma una seal de mando en otra seal dereferencia que puede adaptarse para ser comparadaen el detector de error con la seal de realimentacin.

Captador: adapta la seal de salida a la seal de

realimentacin. Naturaleza es idntica a la del transductor. Es uno de

estos colocado en otro lugar del sistema de control. Capta una determinada informacin en lugar de

reaccionar a una determinada seal de mando.


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Transductores: No.

Interruptor normal.

Captadores: Interruptor de final de

carrera.

No.


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De posicin:1. Finales de carrera.2. Detectores de

proximidad,inductivos ycapacitivos, pticos.

3. Detectores lineales.4. Detectores

angulares.

De velocidad:1. Tacmetros.2. pticos.

De presin:1. Piezoelctricos.

De temperatura.


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1. Finales de carrera : interruptores que sirven para detectar la posicinde una determinada pieza, de un mvil, etc. Al final de la carrera, accionan mecnicamente una palanca, mbolo o

varilla; produciendo el cambio de contactos internos.2. Detectores de proximidad inductivos: el objeto detectado produce una

modificacin del campo magntico propio. Tipo sensible a materiales ferromagnticos. Tipo sensible a materiales metlicos. Pueden detectar objetos metlicos hasta 40 mm.3. Detectores de proximidad capacitivos: el objeto detectado produce una

modificacin del campo elctrico propio. Deteccin hasta 40 mm de lquidos conductores o no conductores,

objetos metlicos o sustancias en polvo o en grano (harina, trigo,avena, etc)


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4. Sensores pticos: detectan todo tipo de objetos y productos (slidos ylquidos) a distancias menores de 200 mm. Directos Con fibra ptica acoplada.-Ambos utilizan luz infrarroja (insensible a luces parsitas).

-Pueden detectar por reflexin al devolver el objeto la luz recibida.-La fibra ptica permite una deteccin puntual.

Un tipo particular de sensor es la clula fotoelctrica.


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1. Barrera: dos mdulos (transmisor y receptor) enfrentados para detectarel paso de un objeto entre ambos. Distancia mxima: 200 m.

2. Reflexin : transmisor y receptor de luz infrarroja montados en elmismo mdulo y detectan el paso de cualquier objeto situado entre ella yel receptor. Distancia mxima: 10 m.

3. Proximidad: el transmisor y el receptor se encuentran en el mismomdulo, detectando el paso de cualquier objeto prximo a ella.

Distancia mxima: 15 m.


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El elemento final o actuador es el dispositivoencargado de actuar sobre el proceso.

Son los rganos de mando de una vlvula, compuerta,etc., entre los que pueden estar las bobinas y relscapaces de obedecer una seal elctrica o neumticaprocedente del controlador, para llevarla a la posicinadecuada.

Servomotor de vlvula.

Servomotor de pistn: de continua o de alterna. Vlvulas automticas: para regular el caudal de un

fluido. Ej. una vlvula automtica de controlneumtico consta de un servomotor y un subconjunto

de vlvula.


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Uno a uno y con la ayuda de bibliografa, internet y

catlogos, describir las caractersticas principales ymodo de funcionamiento de, por lo menos, dos tipospor grupo de los siguientes elementos: Finales de carrera. Sensores inductivos. Sensores capacitivos. Sensores pticos.

Medidor de ngulos. Transductores de velocidad. Transductores de presin.

Transductores de temperatura.


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La adecuacin de la variable controlada, ante unavariacin de la seal de mando o de unaperturbacin, no es instantnea.

La variacin de la variable controlada en f(t) es muyimportante para el diseo y dimensionado del SC. Para reducir el tiempode respuestapodemos hacer

oscilar el valor de la variable en torno a un valor

concreto. Si esta oscilacin desaparece con el tiempo:SISTEMA ESTABLE, caso contrario: SISTEMAINESTABLE.


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Pico desobreoscilacin

ts

Sobreoscilacin: oscilacin mxima

Ts: Tiempo de establecimiento. El

tiempo necesario para que la salida

alcance su rgimen permanente.

A (amplitud)

t (tiempo)


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bl


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ESTABILIDAD: un sistema es estableo tieneestabilidadcuando mantiene su salida constante enun valor prefijado.

CONDICIONES DE ESTABILIDAD1. Sistema Estable.2. Error de Rgimen Permanente por debajo de un

lmite.3. Respuesta Transitoria aceptable.

Rgimen Permanente: estado de un sistema donde sus

variables se han estabilizado y presenta un valorconstante.

Rgimen Transitorio: estado que transcurre en un sistemahasta alcanzar el estado permanente. Presenta sus variables

sin estabilizar.


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