INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE CONTROL

La Ingeniería de Control surge por la necesidad del hombre de mejorar su estándar de vida y de que algunas tareas sean realizadas en forma automática, es decir no requieren intervención directa del hombre.

Los controles automáticos tienen una intervención cada vez más importante en la vida diaria, desde los simples controles que hacen funcionar un tostador automático hasta los complicados sistemas de control necesarios en vehículos espaciales, en guiado de proyectiles, sistemas de pilotajes de aviones, etc. Además el control automático se ha convertido en parte importante e integral de los procesos de manufactura e industriales modernos. Por ejemplo el control automático resulta esencial en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las industrias de procesos, maquinado manejo y armado de piezas mecánicas en las industrias de fabricación, entre muchas otras. 

En la actualidad en las modernas fábricas e instalaciones industriales, se hace cada día más necesario de disponer de sistemas de control o de mando, que permitan mejorar y optimizar una gran cantidad de procesos, en donde la sola presencia del hombre es insuficiente para gobernarlos. La industria espacial y de la aviación, petroquímica, papelera, textil, del cemento, etc. son algunos ejemplos de lugares en donde se necesitan sistemas de control, cuya complejidad ha traído como consecuencia el desarrollo de técnicas dirigidas a su proyecto y construcción. 

Concepto de Sistema:

De forma más general, podemos definir a un sistema como un arreglo, conjunto o combinación de cosas conectadas o relacionadas de manera que constituyen un todo. De forma científica podemos definirlo como un arreglo de componentes físicos conectados o relacionados de tal manera que formen una unidad completa o que puedan actuar como tal; en otras palabras: 

Conjunto de elementos y reglas que organizados e interrelacionados entre si, contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los definen, que pueden ser constantes (parámetros del sistema) y cambiantes en el tiempo (variables del sistema) las cuales permiten determinar su comportamiento.

Concepto de Control:

Es una estrategia que verifica lo que ocurre (realidad) con respecto a lo que debería ocurrir (objetivo) y de no existir concordancia se toman acciones para corregir la diferencia.

Concepto de Proceso:

Se definirá como una operación o conjuntos de pasos con una secuencia determinada, que producen una serie de cambios graduales que llevan de un estado a otro, y que tienden a un determinado resultado final. Se denominará proceso a cualquier operación que se vaya a controlar. Ejemplos de procesos son: químicos, económicos, biológicos, etc. 

Concepto de Planta: 

se designará como planta a cualquier objeto físico que pueda ser controlado. Puede ser un equipo, quizás simplemente un juego de piezas de una máquina funcionando juntas, cuyo objetivo es realizar una operación determinada. Ejemplos de plantas son: horno de calentamiento, reactor químico, etc.

La planta junto con el proceso, conforman un sistema:

• Sistema de control: Es un arreglo de componentes físicos conectados de tal manera que el arreglo pueda comandar, dirigir o regular, asimismo o a otro sistema. Estos sistemas comandan dirigen o controlan dinámicamente. 

• Entrada de un sistema: Es una variable del sistema elegida de tal manera que se la utiliza como excitación del mismo. 

• Salida de un sistema: Es una variable del sistema elegida de tal modo que se la utiliza para analizar los efectos que produjo una excitación en la entrada del mismo. 

• Entrada de un sistema de control: Es una variable del sistema controlado que se elige de modo tal que mediante su manipulación se logra que el sistema cumpla un objetivo determinado.  Las variables de entrada, son variables que ingresan al sistema y no dependen de ninguna otra variable interna del mismo. No solo la señal de referencia (valor deseado de la salida del sistema) conforma una variable de entrada, también hay ciertas señales indeseadas, como son algunas perturbaciones externas, que se generan fuera del sistema y actúan sobre la planta, afectando desfavorablemente la salida del sistema, comportándose también como una variable de entrada, cuyo valor no dependen de ninguna otra variable interna al sistema. 

• Salida de un sistema de control: Es una variable del sistema controlado que se elige de modo tal que mediante su estudio se analiza si el sistema cumple o no con los objetivos propuestos. Se verá más adelante que en los sistemas realimentados esta señal de salida contribuye a realizar el control propuesto. 

• Realimentación: es una propiedad de los sistemas que permiten que la salida del sistema o cualquier variable del mismo sea comparada con la entrada al sistema o con cualquier componente del sistema, de tal manera que pueda establecerse la acción de control apropiada entre la entrada y la salida.     

Diagrama de bloques:

Es una representación gráfica de las funciones que llevan a cabo cada componente y el flujo de señales dentro de un sistema de control.

Bloque: 

El bloque es un símbolo para representar la operación matemática que sobre la señal de entrada hace el bloque para producir la salida. 

A diferencia de una representación matemática puramente abstracta, un diagrama de bloques tiene una ventaja de indicar de forma más realista el flujo de las señales del sistema real.  

Función de transferencia:

Las funciones de transferencia de los componentes, por lo general se introducen en los bloques correspondientes, que se conectan mediante flechas para indicar la dirección del flujo de las señales. La señal solo puede pasar en dirección de las flechas por lo tanto un diagrama de bloques muestra explícitamente una propiedad unilateral.

La función de transferencia de un sistema, es un modelo matemático que sirve para expresar la ecuación diferencial que relaciona la variable de salida con la variable de entrada, esta no muestra la magnitud o naturaleza de la entrada y al igual que el diagrama de bloques no  proporciona información acerca de la estructura física del sistema. 

Punto de suma:

 Remitiéndose a la Figura anterior, un círculo con una cruz es el símbolo que indica una operación de suma. El signo más o el signo menos en cada punta de flecha indica si la señal debe sumarse o restarse es decir si es una realimentación positiva o negativa. Es importante que las cantidades que se sumen o resten tengan las mismas dimensiones y las mismas unidades es aquí donde se lleva a cabo la actividad del controlador. 

Realimentación negativa:

Se dice que un sistema está retroalimentado negativamente cuando tiende a estabilizarse, es decir cuando nos vamos acercando a la orden de consigna hasta llegar a ella, ejemplo: Un sistema de calefacción está realimentado negativamente, ya que si la temperatura excede la deseada, la calefacción se apagará o bajará de potencia, mientras que si no la alcanza aumentará de fuerza o seguirá funcionando.

Retroalimentación positiva:

La retroalimentación positiva es un mecanismo  por el cual, una variación en la salida produce un efecto dentro del sistema, que refuerza esa tasa de cambio. Por lo general esto hace que el sistema no llegue a un punto de equilibrio sino más bien a uno de saturación. Es un estimulo constante, ejemplo: en un sistema electrónico. Los dispositivos semiconductores conducen mejor la corriente cuanto mayor sea su temperatura. Si éstos se calientan en exceso, conducirán mejor, por lo que la corriente que los atraviese será mayor porque se seguirán calentando hasta su destrucción si no se evita con algún otro dispositivo que límite o impida el paso de corriente. 

Señales de entrada:

En el análisis y diseño de sistemas de control, debemos tener una base de comparación del desempeño de diversos sistemas de control. Esta base se configura especificando las señales de entrada y comparando las respuestas de varios sistemas a estas señales de entrada. 

Si las entradas para un sistema de control son funciones del tiempo que cambian en forma gradual, una función rampa sería una buena señal de prueba. Si el sistema está sujeto a perturbaciones repentinas, una función escalón sería la adecuada; y para un sistema sujeto a entradas de choque, una función impulso sería la mejor.  

Respuesta: 

La respuesta en el tiempo de un sistema  de control consta de dos partes: la respuesta transitoria y la respuesta en estado estable.  

• Por respuesta transitoria nos referimos a la que va del estado inicial al estado final.   

• Por respuesta en estado estable, nos referimos a la manera en la cual se comporta la salida del sistema conforme t tiende a infinito 

Si la salida de un sistema de control en estado estable no coincide exactamente con la entrada, se dice que el sistema tiene un error de estado estable. Este error indica la precisión del sistema. Al analizar un sistema de control, debemos examinar el comportamiento de la respuesta transitoria y el comportamiento en estado estable.   

TIPOS BÁSICOS DE CONTROL DE PROCESOS

• CONTROL MANUAL: Interviene directamente la mano del hombre en la acción de control. Ejemplo: Válvula manual a la salida del tanque de riego. 

• CONTROL AUTOMATICO: No se requiere la intervención ni la supervisión del hombre Ejemplo: Control de Temperatura del contenedor de agua caliente.

• CONTROL A LAZO ABIERTO: Es aquel en el que la salida no influye sobre la acción de control. Su esquema básico es:

• CONTROL A LAZO CERRADO: Se produce cuando la salida del sistema vuelve a ingresar al sistema para la acción de control. Este esquema se llama retroalimentación permite el control automático de un sistema. El esquema básico del Control a Lazo Cerrado es:

Estructura de un Sistema de Control

SISTEMAS DE CONTROL A LAZO ABIERTO:

• Solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera.

• No hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador.
• Son  sencillos y de fácil concepto.
• Nada asegura su estabilidad ante una perturbación.
• La salida no se compara con la entrada.
• Ser afectado por las perturbaciones. Éstas pueden ser tangibles o intangibles.
• La precisión depende de la previa calibración del sistema.

SISTEMAS DE CONTROL A LAZO CERRADO:

      Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. 

      Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia.

Una variación en la salida o en otra variable, se mide, y el controlador, modifica la 

señal de control, para que se estabilice, el sistema, ante la nueva situación.