Conceptos Básicos: Sistemas de Control

Revista InTech México Automatización
Edición Octubre – Diciembre 2018.

Por Karina Martínez,

INTRODUCCIÓN

Todo lo que está a nuestro alrededor está relacionado con el control, inclusive las actividades cotidianas, ya que siempre se tienen necesidades que cubrir. Por ejemplo: para conducir un automóvil, se requiere poder manipular la velocidad del motor; ya que de no ser así, prácticamente hubiera muchos accidentes automovilísticos y no sería viable viajar en él.

Por otra parte, todos formamos parte de un determinado sistema. Por ejemplo la naturaleza, el universo y el mismo ser humano. Un sistema está definido como el conjunto de elementos interrelacionados entre sí para cumplir un fin común.

Por lo tanto, teniendo en cuenta que un sistema es un conjunto de elementos relacionados entre sí para realizar un fin común y que control prácticamente significa la manipulación de ciertas variables para lograr satisfacer una necesidad, un sistema de control sería el conjunto de elementos interconectados entre sí para lograr la manipulación de ciertas variables con el fin de satisfacer una necesidad especifica.

Así mismo, los sistemas de control pueden ser clasificados como sistemas de control en lazo abierto y sistemas de control en lazo cerrado, según sea su diseño y su funcionalidad requerida.

SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO

Al sistema de control en el cual la salida no afecta la acción de control se denomina sistema de control en lazo abierto. En otras palabras, en un sistema de control en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada; por lo tanto, a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa fija; dando como resultado que la precisión del sistema depende de la calibración [1].

Ilustración 1. Diagrama de bloques de un sistema de control en Lazo Abierto

La Ilustración 1 muestra un Sistema de Control a Lazo Abierto, en cuyo diagrama se muestra cómo únicamente existen dos señales (de entrada y de salida) interrelacionados entre sí pero sin haber un lazo de retroalimentación que compare la señal obtenida después del proceso con la de la entrada.

SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO

En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador con la señal de error de actuación, el cual es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas y/o integrales), a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente.

Ilustración 2 Sistema de control en Lazo Cerrado

La Ilustración 2 muestra el diagrama a bloques de un sistema de control a lazo cerrado.

Componentes del Sistema de Control

En la industria ha tomado gran relevancia la aplicación del control automático de procesos ya que este permite mantener controladas ciertas variables como la temperatura, la humedad, la viscosidad, la presión, entre otras. Mantener estas variables estables es el objetivo del sistema de control. Cuyos elementos básicos son los siguientes:

  • Transductor (Sensor/Transmisor).
  • Controlador.
  • Actuador.

La importancia de estos componentes radica en que estos realizan las tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo sistema de control; estas operaciones, respectivamente, son [2]:

  1. Medición: la medición de la variable que se controla se hace generalmente mediante la, combinación de sensor y transmisor.
  2. Decisión: con base en la medición, el controlador decide qué hacer para mantenerla variable en el valor que se desea.
  3. Acción: como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una, acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de control.

Estas tres operaciones son forzosas para todos los sistemas de control. La toma de decisión puede realizarse con un sistema de control en lazo abierto o en lazo cerrado.

Ilustración 3. Diagrama de bloques de un sistema de control retroalimentado y sus elementos básicos.

La Ilustración 3 muestra el diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado donde se tiene una entrada de referencia. Cuando ésta señal entra al sistema, el controlador comienza a comparar la señal de salida con la entrada de referencia.

Cuando la señal de salida no es la deseada, entonces se genera una señal de error que propicia una “acción de control”. Para realizar la acción de control, se provee una señal de control, que por lo general es de potencia baja y por ello se requiere amplificar o adecuar  antes de operar el actuador. Una vez que se transmite la señal al Actuador, éste acciona una función que genera un efecto sobre el proceso; teniendo como consecuencia una señal en el Transductor.

El Transductor produce esta señal y nuevamente se tiene la medición de la variable física en la entrada de referencia, la cual se vuelve a comparar para verificar que no exista una desviación; en caso de presentarse una señal de error, el ciclo se repite.

ACTUADOR

El actuador es un dispositivo que transforma la energía hidráulica, neumática o eléctrica para realizar una función que genera un efecto sobre un proceso. El actuador recibe la señal desde un controlador y en función a ella activa un elemento final de control; por ejemplo, una válvula.

Existen principalmente distintos tipos de actuadores según el tipo de señal de control que se emplee, entre ellos:

  1. Eléctricos. En éste actuador, su principal señal de control es la energía eléctrica.
  2. Neumáticos. La señal de control de éste tipo de actuar es el aire.
  3. Hidráulicos. La señal de control es un fluido, normalmente algún tipo de aceite mineral.
  4. Electrónicos. La electrónica de potencia permite controlar la alimentación de otros equipos, la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, con el empleo de dispositivos electrónicos, tales como los semiconductores.

TRANSDUCTOR

El transductor es un .dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal. Es decir, éste dispositivo toma una variable de entrada y produce una salida de otra naturaleza.

Los transductores se clasifican por dos funciones:

a. En función de sus características estructurales

  • Directos: Se colocan directamente en contacto con el punto cuya variable se va a medir.
  • Indirectos: Se sitúan alejados del punto de medición, pero se comunican con éste mediante una línea de trasmisión con una terminal situada en el espacio cuya variable deseamos medir.

b. En función de su comportamiento

  • Activos: Los traductores activos son aquellos transductores que no requieren suministro de energía para operar.
  • Pasivos: Los traductores pasivos son aquellos transductores que si requieren suministro de energía para operar.

CONTROLADOR

En la industria se utilizan controladores cuya función es comparar la variable de proceso medida de una causa física con un valor de referencia de entrada, de determinar la desviación y es producir una señal de control que reduce es el error a un valor aproximado a cero.

La manera en la cual el controlador ejecuta la señal de control se denomina acción de control. El controlador detecta la señal de error, generalmente dada en un nivel de potencia muy bajo, y la amplifica a un nivel lo suficientemente alto. La salida de un controlador alimenta a un actuador [2]. Se clasifican se realiza según sea su acción de control:

De dos posiciones o acción de encendido- apagado. En éste tipo de control en lazo cerrado la acción de control puede tomar una de las dos posiciones en relación al error, abierto o cerrado, con una alta impedancia.

Acción proporcional. El sistema de control proporcional se basa en establecer una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control.

Acción integral. El control integral basa su funcionamiento en accionar un elemento de control a una velocidad constante, hasta conseguir eliminar la desviación. La velocidad de accionamiento será proporcional al error del sistema existente.

Acción proporcional-integral. El Control Proporcional Integral decrementa el tiempo de subida, incrementa el sobre impulso y el tiempo de estabilización, y tiene el efecto de eliminar el error de estado estable pero empeorará la respuesta transigente.

Acción proporcional-derivativa. En la regulación derivada, la acción de control será proporcional a la velocidad de cambio de la variable controlada. Así, el elemento final de control sufrirá un mayor o menor recorrido dependiendo de la velocidad de cambio del error del sistema.

Acción proporcional-integral-derivativo. Es un mecanismo de control por realimentación que emplea la suma de las acciones de control proporcional, integral y derivativo, por este motivo este control es el más empleado en el control de procesos industriales.

CONCLUSIONES

La diferencia entre un sistema de control de lazo abierto y uno de lazo cerrado radica en que en el primero la salida no afecta la acción de control, mientras que en el segundo se retroalimenta su salida con la entrada, con esto cerrando el lazo de control.

En un lazo de control cerrado se encuentran los elementos básicos de transductor, controlador y actuador, que realizan la función de medición, decisión y acción, respectivamente. Esto brinda una idea más amplia sobre el tipo de control requerido según sea la necesidad de control y ayudar a comprender la importancia del manejo del sistema de control de lazo cerrado, sus elementos básicos y sus características.

REFERENCIAS

  1. Ogata, Ingeniería de control moderna, 2018
  2. Smith, A. Corripio, Control automático de procesos, Limusa, 1997
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