Sistema de control - Control system

El gobernador centrífugo es un mecanismo de control proporcional temprano .

Un sistema de control administra, ordena, dirige o regula el comportamiento de otros dispositivos o sistemas mediante lazos de control . Puede variar desde un solo controlador de calefacción doméstica que utiliza un termostato que controla una caldera doméstica hasta grandes sistemas de control industrial que se utilizan para controlar procesos o máquinas.

Para un control de modulación continua, se utiliza un controlador de retroalimentación para controlar automáticamente un proceso u operación. El sistema de control compara el valor o estado de la variable de proceso (PV) que se está controlando con el valor deseado o punto de ajuste (SP), y aplica la diferencia como una señal de control para llevar la salida de la variable de proceso de la planta al mismo valor que el punto fijo.

Para secuencial y lógica combinatoria , lógica de software , tal como en un controlador lógico programable , se utiliza.

Control de bucle abierto y de bucle cerrado

Hay dos clases comunes de acciones de control: bucle abierto y bucle cerrado. En un sistema de control de bucle abierto, la acción de control del controlador es independiente de la variable del proceso. Un ejemplo de esto es una caldera de calefacción central controlada solo por un temporizador. La acción de control es el encendido o apagado de la caldera. La variable del proceso es la temperatura del edificio. Este controlador opera el sistema de calefacción durante un tiempo constante independientemente de la temperatura del edificio.

En un sistema de control de circuito cerrado, la acción de control del controlador depende de la variable de proceso deseada y real. En el caso de la analogía de la caldera, esto utilizaría un termostato para monitorear la temperatura del edificio y retroalimentar una señal para asegurar que la salida del controlador mantenga la temperatura del edificio cerca de la configurada en el termostato. Un controlador de circuito cerrado tiene un circuito de retroalimentación que asegura que el controlador ejerce una acción de control para controlar una variable de proceso en el mismo valor que el punto de ajuste. Por esta razón, los controladores de circuito cerrado también se denominan controladores de retroalimentación.

Sistemas de control de retroalimentación

Ejemplo de un solo lazo de control industrial; mostrando un control continuamente modulado del flujo del proceso.
Un circuito de retroalimentación básico

En el caso de los sistemas de retroalimentación lineal , se dispone un bucle de control que incluye sensores , algoritmos de control y actuadores en un intento de regular una variable en un punto de ajuste (SP). Un ejemplo cotidiano es el control de crucero en un vehículo de carretera; donde influencias externas, como colinas, causarían cambios de velocidad y el conductor tiene la capacidad de alterar la velocidad establecida deseada. El algoritmo PID en el controlador restaura la velocidad real a la velocidad deseada de la manera óptima, con un retraso mínimo o sobreimpulso , controlando la salida de potencia del motor del vehículo.

Los sistemas de control que incluyen cierta percepción de los resultados que están tratando de lograr están haciendo uso de la retroalimentación y pueden adaptarse a diversas circunstancias hasta cierto punto. Los sistemas de control de bucle abierto no utilizan la retroalimentación y funcionan solo de formas preestablecidas.

Control lógico

Los sistemas de control lógico para maquinaria industrial y comercial se implementaron históricamente mediante relés eléctricos interconectados y temporizadores de levas utilizando lógica de escalera . Hoy en día, la mayoría de estos sistemas están construidos con microcontroladores o controladores lógicos programables (PLC) más especializados . La notación de lógica de escalera todavía se utiliza como método de programación para PLC.

Los controladores lógicos pueden responder a interruptores y sensores, y pueden hacer que la maquinaria inicie y detenga varias operaciones mediante el uso de actuadores . Los controladores lógicos se utilizan para secuenciar operaciones mecánicas en muchas aplicaciones. Los ejemplos incluyen ascensores, lavadoras y otros sistemas con operaciones interrelacionadas. Un sistema de control secuencial automático puede activar una serie de actuadores mecánicos en la secuencia correcta para realizar una tarea. Por ejemplo, varios transductores eléctricos y neumáticos pueden doblar y pegar una caja de cartón, llenarla con producto y luego sellarla en una empaquetadora automática.

El software de PLC se puede escribir de muchas formas diferentes: diagramas de escalera, SFC ( gráficos de funciones secuenciales ) o listas de instrucciones .

Control de encendido y apagado

El control de encendido y apagado utiliza un controlador de retroalimentación que cambia abruptamente entre dos estados. Un termostato doméstico bimetálico simple puede describirse como un controlador de encendido y apagado. Cuando la temperatura en la habitación (PV) desciende por debajo de la configuración del usuario (SP), el calentador se enciende. Otro ejemplo es un interruptor de presión en un compresor de aire. Cuando la presión (PV) cae por debajo del punto de ajuste (SP), el compresor se enciende. Los refrigeradores y las bombas de vacío contienen mecanismos similares. Los sistemas simples de control de encendido y apagado como estos pueden ser económicos y efectivos.

Control lineal

Los sistemas de control lineal utilizan retroalimentación negativa para producir una señal de control para mantener el PV controlado en el SP deseado. Existen varios tipos de sistemas de control lineal con diferentes capacidades.

Control proporcional

Respuestas escalonadas para un sistema de segundo orden definido por la función de transferencia , donde es la relación de amortiguamiento y es la frecuencia natural no amortiguada .

El control proporcional es un tipo de sistema de control de retroalimentación lineal en el que se aplica una corrección a la variable controlada que es proporcional a la diferencia entre el valor deseado (SP) y el valor medido (PV). Dos ejemplos mecánicos clásicos son la válvula dosificadora de flotador de la taza del inodoro y el regulador de bola volante .

El sistema de control proporcional es más complejo que un sistema de control de encendido y apagado, pero más simple que un sistema de control proporcional-integral-derivado (PID) utilizado, por ejemplo, en el control de crucero de un automóvil . El control de encendido y apagado funcionará para sistemas que no requieren alta precisión o capacidad de respuesta, pero no es efectivo para correcciones y respuestas rápidas y oportunas. El control proporcional supera esto modulando la variable manipulada (MV), como una válvula de control , a un nivel de ganancia que evita la inestabilidad, pero aplica la corrección lo más rápido posible aplicando la cantidad óptima de corrección proporcional.

Un inconveniente del control proporcional es que no puede eliminar el error residual SP-PV, ya que requiere un error para generar una salida proporcional. Se puede utilizar un controlador PI para solucionar este problema. El controlador PI utiliza un término proporcional (P) para eliminar el error bruto y un término integral (I) para eliminar el error de compensación residual integrando el error a lo largo del tiempo.

En algunos sistemas existen límites prácticos para el alcance de la MT. Por ejemplo, un calentador tiene un límite en la cantidad de calor que puede producir y una válvula solo puede abrirse hasta cierto punto. Los ajustes a la ganancia alteran simultáneamente el rango de valores de error sobre los cuales el MV se encuentra entre estos límites. El ancho de este rango, en unidades de la variable de error y por lo tanto del PV, se denomina banda proporcional (PB).

Ejemplo de horno

Al controlar la temperatura de un horno industrial , generalmente es mejor controlar la apertura de la válvula de combustible en proporción a las necesidades actuales del horno. Esto ayuda a evitar los choques térmicos y aplica el calor de manera más eficaz.

Con ganancias bajas, solo se aplica una pequeña acción correctiva cuando se detectan errores. El sistema puede ser seguro y estable, pero puede ser lento en respuesta a condiciones cambiantes. Los errores permanecerán sin corregir durante períodos de tiempo relativamente largos y el sistema estará sobreamortiguado . Si se aumenta la ganancia proporcional, dichos sistemas se vuelven más sensibles y los errores se tratan más rápidamente. Existe un valor óptimo para el ajuste de ganancia cuando se dice que el sistema general está críticamente amortiguado . Los aumentos en la ganancia del bucle más allá de este punto provocan oscilaciones en el PV y dicho sistema está infraamortiguado . El ajuste de la ganancia para lograr un comportamiento críticamente amortiguado se conoce como ajuste del sistema de control.

En el caso subamortiguado, el horno se calienta rápidamente. Una vez que se alcanza el punto de ajuste, el calor almacenado dentro del subsistema del calentador y en las paredes del horno mantendrá la temperatura medida aumentando más allá de lo requerido. Después de elevarse por encima del punto de ajuste, la temperatura desciende y, finalmente, se vuelve a aplicar calor. Cualquier retraso en el recalentamiento del subsistema del calentador permite que la temperatura del horno caiga más por debajo del punto de ajuste y el ciclo se repite. Las oscilaciones de temperatura que produce un sistema de control de horno subamortiguado son indeseables.

En un sistema críticamente amortiguado, a medida que la temperatura se acerca al punto de ajuste, la entrada de calor comienza a reducirse, la velocidad de calentamiento del horno tiene tiempo para disminuir y el sistema evita el sobreimpulso. El sobreimpulso también se evita en un sistema sobreamortiguado, pero un sistema sobreamortiguado es innecesariamente lento para alcanzar el punto de ajuste inicial en respuesta a cambios externos en el sistema, por ejemplo, abriendo la puerta del horno.

Control PID

Un diagrama de bloques de un controlador PID
Efectos de la variación de los parámetros PID (K p , K i , K d ) sobre la respuesta al escalón de un sistema.

Los controladores proporcionales puros deben operar con error residual en el sistema. Aunque los controladores PI eliminan este error, aún pueden ser lentos o producir oscilaciones. El controlador PID aborda estas deficiencias finales mediante la introducción de una acción derivada (D) para mantener la estabilidad mientras se mejora la capacidad de respuesta.

Acción derivada

La derivada tiene que ver con la tasa de cambio del error con el tiempo: si la variable medida se acerca al punto de ajuste rápidamente, entonces el actuador retrocede antes de tiempo para permitirle alcanzar el nivel requerido; a la inversa, si el valor medido comienza a alejarse rápidamente del punto de ajuste, se aplica un esfuerzo adicional, en proporción a esa rapidez, para ayudar a retroceder.

En los sistemas de control que involucran el control de movimiento de un artículo pesado como una pistola o una cámara en un vehículo en movimiento, la acción derivada de un controlador PID bien ajustado puede permitirle alcanzar y mantener un punto de ajuste mejor que la mayoría de los operadores humanos capacitados. Sin embargo, si la acción derivada se aplica en exceso, puede provocar oscilaciones.

Acción integral

Cambio de respuesta del sistema de segundo orden a una entrada escalonada para valores de Ki variables.

El término integral magnifica el efecto de los errores de estado estable a largo plazo, aplicando un esfuerzo cada vez mayor hasta que se elimina el error. En el ejemplo del horno anterior trabajando a varias temperaturas, si el calor que se aplica no eleva el horno al punto de ajuste, por cualquier razón, la acción integral mueve cada vez más la banda proporcional con respecto al punto de ajuste hasta que el error de PV se reduce a cero y se alcanza el punto de ajuste.

Incremento de% por minuto

Algunos controladores incluyen la opción de limitar el "% de aceleración por minuto". Esta opción puede resultar muy útil para estabilizar pequeñas calderas (3 MBTUH), especialmente durante el verano, con cargas ligeras. Es posible que se requiera una unidad de caldera de servicio público para cambiar la carga a una velocidad de hasta un 5% por minuto (IEA Coal Online - 2, 2007).

Otras tecnicas

Es posible filtrar la PV o la señal de error. Hacerlo puede ayudar a reducir la inestabilidad u oscilaciones al reducir la respuesta del sistema a frecuencias indeseables. Muchos sistemas tienen una frecuencia resonante . Al filtrar esa frecuencia, se puede aplicar una retroalimentación general más fuerte antes de que ocurra la oscilación, lo que hace que el sistema responda mejor sin sacudirse.

Los sistemas de retroalimentación se pueden combinar. En el control en cascada , un lazo de control aplica algoritmos de control a una variable medida contra un punto de ajuste, pero luego proporciona un punto de ajuste variable a otro lazo de control en lugar de afectar directamente las variables del proceso. Si un sistema tiene varias variables de medición diferentes para controlar, habrá sistemas de control separados para cada una de ellas.

La ingeniería de control en muchas aplicaciones produce sistemas de control que son más complejos que el control PID. Ejemplos de tales aplicaciones campos fly-by-wire sistemas de control de aviones, plantas químicas y refinerías de petróleo. Los sistemas de control predictivo de modelos se diseñan utilizando software especializado de diseño asistido por computadora y modelos matemáticos empíricos del sistema que se va a controlar.

Lógica difusa

La lógica difusa es un intento de aplicar el diseño sencillo de los controladores lógicos al control de sistemas complejos que varían continuamente. Básicamente, una medición en un sistema de lógica difusa puede ser parcialmente cierta.

Las reglas del sistema están escritas en lenguaje natural y traducidas a lógica difusa. Por ejemplo, el diseño de un horno comenzaría con: "Si la temperatura es demasiado alta, reduzca el combustible al horno. Si la temperatura es demasiado baja, aumente el combustible al horno".

Las medidas del mundo real (como la temperatura de un horno) se difuminan y la lógica se calcula con aritmética, a diferencia de la lógica booleana , y las salidas se eliminan para controlar el equipo.

Cuando un diseño difuso robusto se reduce a un cálculo simple y rápido, comienza a parecerse a una solución de circuito de retroalimentación convencional y puede parecer que el diseño difuso era innecesario. Sin embargo, el paradigma de lógica difusa puede proporcionar escalabilidad para grandes sistemas de control donde los métodos convencionales se vuelven difíciles de manejar o costosos de derivar.

La electrónica difusa es una tecnología electrónica que utiliza lógica difusa en lugar de la lógica de dos valores más comúnmente utilizada en la electrónica digital .

Implementación física

Una sala de control DCS donde grandes pantallas muestran información de la planta. Los operadores pueden ver y controlar cualquier parte del proceso desde sus pantallas de computadora, mientras conservan una descripción general de la planta en las pantallas más grandes.
Un panel de control de una máquina de prensa de calor hidráulica

La gama de implementación del sistema de control abarca desde controladores compactos a menudo con software dedicado para una máquina o dispositivo en particular, hasta sistemas de control distribuidos para el control de procesos industriales para una gran planta física .

Los sistemas lógicos y los controladores de retroalimentación generalmente se implementan con controladores lógicos programables .

Ver también

Referencias

enlaces externos