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Sistemas automáticos de control, Resúmenes de Tecnología Industrial

Este documento proporciona una introducción detallada a los sistemas automáticos de control, incluyendo definiciones clave, tipos de sistemas, elementos que los componen y cómo calcular la función de transferencia. Cubre conceptos fundamentales como señales, transductores, comparadores, controladores, amplificadores y actuadores. Además, explica los diagramas funcionales o de bloques y su utilidad para representar el comportamiento de los sistemas de control. Este material sería útil para estudiantes universitarios interesados en temas de automatización, control de procesos industriales, robótica y sistemas de control en general.

Tipo: Resúmenes

2023/2024

Subido el 27/05/2024

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Bloque IV: Sistemas automáticos de control
Bloque IV: SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE CONTROL
1.- Sistema automático de Control
Es un sistema formado por un conjunto de elementos encaminados a gobernar, mediante una acción
de control, una variable de salida para que su valor sea el prefijado por nosotros.
Un sistema de control es óptimo cuando:
-reacciona rápidamente,
-las perturbaciones no influyen en la señal de salida
-sigue sin retardos ni oscilaciones los cambios de la señal de referencia.
Ejemplos de sistemas automáticos:
2.- Definiciones en un sistema de control
Señal : es la información que representa una determinada magnitud física (tensión eléctrica,
luminosidad, distancia, etc)
Entrada o señal de mando: excitación que se aplica a un sistema para provocar una
respuesta. Los sistemas de control trabajan con la información facilitada por los sensores.
Señal de referencia: la generada por un transductor a partir de la señal de entrada.
Transductor: elemento que transforma la señal de mando (P.ej: mover un mando) en una
señal apta para su utilización (P.ej: señal eléctrica). A la señal que proporciona el transductor
se la denomina señal de referencia.
Comparador: En los sistemas automáticos realimentados, el comparador calcula la señal
activa o señal error como la diferencia entre la señal de referencia y la señal realimentada.
Cuando esta señal es cero es que el sistema está funcionando como se desea. Si no es así
habrá que introducir las modificaciones necesarias.
Unidad de control o regulador: unidad que reacciona con una señal activa para producir la
salida deseada. Conforme a las señales de entrada y a la configuración o programación de la
Unidad de control, ésta proporcionará una señal al proceso. Se trata del cerebro del sistema y
sólo actuará cuando la señal error no sea cero.
Tecnología Industrial II 1
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Bloque IV: SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE CONTROL 1.- Sistema automático de Control Es un sistema formado por un conjunto de elementos encaminados a gobernar, mediante una acción de control, una variable de salida para que su valor sea el prefijado por nosotros. Un sistema de control es óptimo cuando:

  • reacciona rápidamente,
  • las perturbaciones no influyen en la señal de salida
  • sigue sin retardos ni oscilaciones los cambios de la señal de referencia. Ejemplos de sistemas automáticos: 2.- Definiciones en un sistema de controlSeñal : es la información que representa una determinada magnitud física (tensión eléctrica, luminosidad, distancia, etc)  Entrada o señal de mando : excitación que se aplica a un sistema para provocar una respuesta. Los sistemas de control trabajan con la información facilitada por los sensores.  Señal de referencia : la generada por un transductor a partir de la señal de entrada.  Transducto r: elemento que transforma la señal de mando (P.ej: mover un mando) en una señal apta para su utilización (P.ej: señal eléctrica). A la señal que proporciona el transductor se la denomina señal de referencia.  Comparador : En los sistemas automáticos realimentados, el comparador calcula la señal activa o señal error como la diferencia entre la señal de referencia y la señal realimentada. Cuando esta señal es cero es que el sistema está funcionando como se desea. Si no es así habrá que introducir las modificaciones necesarias.  Unidad de control o regulador : unidad que reacciona con una señal activa para producir la salida deseada. Conforme a las señales de entrada y a la configuración o programación de la Unidad de control, ésta proporcionará una señal al proceso. Se trata del cerebro del sistema y sólo actuará cuando la señal error no sea cero.

Proceso: está formado por los actuadores (P.ej: motor, relés, luces, cilindro, etc) que conforme a la señal del regulador, proporcionarán la señal de salida del sistema de control.  Realimentación : es la encargada de tomar parte de la señal de salida y llevarla al comparador para ser analizada junto a la señal de referencia. Está formada por un captador encargado de tomar la señal, un amplificador para elevar su nivel. Gracias a ella se alcanza una relativa independencia de las posibles perturbaciones que pueda sufrir el sistema.  Perturbaciones: señales no deseadas que influyen en el sistema alejando la señal de salida del valor deseado. Deben evitarse en la medida de lo posible. (P.ej: cambio en la luminosidad de la habitación) 3.- Tipos de sistemas de control (dependiendo de cómo estén enlazados sus elementos): 3.1.- Sistemas de control de lazo abierto: sistemas en los que la señal de salida no influye en la señal de entrada. Si hay perturbaciones que actúen sobre el sistema, la señal de salida puede verse modificada y no ser la señal deseada. Se trata de sistemas poco precisos debido a la influencia de las perturbaciones. En estos sistemas, la única variable que controla el paso de una etapa a la siguiente es el tiempo. Ejemplos de este tipo de sistemas de control son: tostador de pan, lavadora, ventilador de aire 3.2.- Sistemas de control de lazo cerrado o realimentados : sistemas de control en los que la señal de salida sí influye sobre la señal de entrada. Para ello se emplea una realimentación que puede ser negativa o positiva (resta o suma de señales respectivamente) aunque, para aumentar la estabilidad del sistema se busca que sea negativa. El elemento encargado de detectar la señal de salida para utilizarla de nuevo es el captador. Esta señal realimentada es comparada con la señal de referencia en el comparador que proporcionará una señal de error o señal activa que entra en el regulador o controlador. El controlador enviará una señal al proceso (actuadores) que corrija los efectos de las perturbaciones con la máxima rapidez, la máxima exactitud y el mínimo de oscilaciones posibles. Son sistemas mucho más precisos que los sistemas de lazo abierto al corregir posibles modificaciones en la señal de salida buscada. Ejemplos de sistemas de control realimentados son: calefacción con termostato, mecanismo de llenado de agua de un tanque.

TRANSDUCTOR PROCESO

PERTURBACIONES

Señal de entrada Señal de referencia Señal de salida

TRANSDUCTO

R

PROCESO

PERTURBACIONES

Señal

de

referenci

aa

Señal

de

salida

Señal

de

entrada

Señal

error

REALIMENTACIÓ

NN

CONTROLADOR

COMPARADOR

4.1.4.- Transductores de presión

  • Manómetro de tubo en U o el tubo Bourdon que analizan los desplazamientos que produce una presión sobre un tubo en forma de anillo. Este anillo está cerrado en un extremo y por el otro se le aplica la presión a medir. Al aplicar la presión, el tubo tiende a enderezarse. El movimiento resultante generará una señal eléctrica a través de un transductor de posición.
  • Diafragma: una o varias cápsulas circulares que se deforman con los cambios de presión. Se emplea para presiones pequeñas.
  • Fuelle: parecido al diafragma pero de una sola pieza flexible. Se dilata o se contrae en función de la presión. 4.1.5.- Transductores de temperatura :
  • Termistores: resistencias variables con la temperatura. Dependiendo de si la resistencia aumenta o disminuye con los aumentos de la temperatura tenemos PTC o NTC
  • Termopares: se basan en la unión de dos metales distintos unidos por uno de sus extremos. Cuando esta unión se calienta, se desarrolla una diferencia de potencial en sus extremos libres que provoca la aparición de una corriente eléctrica, convirtiendo así una señal de temperatura en una señal eléctrica. 4.1.6.- Transductores de iluminación: para convertir una señal luminosa en una señal eléctrica
  • Resistencias variables con la luz (LDR). Dependiendo del nivel de luz que llegue a la resistencia esta variará su valor modificando los valores eléctricos del circuito donde se encuentre. A mayor luminosidad menor será el valor de la resistencia LDR.
  • Fotodiodo. Es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina).Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga.

4.2.- Comparador Compara la señal de referencia con la proveniente de la realimentación dando la señal error. Cuando esta señal es cero es que el sistema está funcionando como se desea. Si no es así habrá que introducir las modificaciones necesarias. Pueden ser:

  • Comparador neumático : determina la diferencia de presiones mediante el uso de un fuelle. Este fuelle tiene un cursor en el interior que dependiendo de la relación de presiones se colocará en una posición u otra sobre una escala. La posición del cursor será justo el centro de la escala cuando las dos presiones sean iguales.
  • Comparador mecánico: se comparan dos movimientos mediante el empleo de dos varillas que se encuentran unidas por otra tercera varilla (eje central). Dependiendo del desplazamiento relativo de las dos varillas el eje central que las une adquirirá una posición u otra.
  • Comparador eléctrico : la señal error se obtiene como una diferencia de potencial. 4.3.- Controlador o regulador El controlador es la unidad que genera una acción de gobierno sobre el sistema para producir la señal de salida deseada.
  • Controladores de acción proporcional : cuando la señal error es distinta de cero porque la señal de referencia y la realimentada no son iguales, se modificará la salida en una cantidad proporcional al error (multiplicándola por un factor), La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo. La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa. La fórmula del proporcional esta dada por:
  • Controlador de acción integral : El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de referencia, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable con respecto al punto de referencia) de la banda proporcional. La formula del integral esta dada por:
  • Controlador de acción derivativa: La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el error se incremente. La fórmula del derivativo esta dada por:

5.- Función de transferencia La función de transferencia es la relación entre la señal de entrada y la de salida. Se habla de la ganancia de la señal o del sistema. La función de transferencia, G(s) se define como el cociente de la “Transformada de Laplace” de las señales de salida y entrada. La “Transformada de Laplace” sirve para reemplazar operaciones como derivación e integración, por operaciones algebraicas en el plano complejo de la variable S. Gracias a este método podemos usar técnicas gráficas para predecir el funcionamiento de un sistema sin necesidad de resolver el sistema de ecuaciones diferenciales correspondiente. Es lo que se conoce como Diagramas funcionales o de bloques Nota: si queréis saber más sobre la Transformada de Laplace os enlazo un vídeo que habla sobre su desarrollo (Me temo que es un concepto bastante complicado) http://www.youtube.com/watch?v=wNu80ZvG2JE 6.- Diagramas funcionales o de bloques Una de las principales ventajas de la función de transferencia es la posibilidad de representar el comportamiento de cada uno de los componentes del sistema mediante un bloque funcional, caracterizado por su función de transferencia. El sistema queda así configurado cono un conjunto de bloques unidos entre sí mediante flechas que indican el sentido de circulación del flujo de señal. La ventaja de los diagramas de bloques es que la función de transferencia del conjunto puede ser deducida a partir de las funciones de transferencias parciales cuyo cálculo es más sencillo. Además de los bloques y las flechas se cuenta con comparadores que se encargarán de sumar o restar las señales sobre las que actúen

6.- Cálculo de la Función de Transferencia. Resolución de Diagramas funcionales o de bloques