Control de procesos orientado a motores y variadores de velocidad

19 Febrero 2010

 

Es un método por el cual un “Proceso” de fabricación puede ser controlado de forma continua y automática, con resultados regulares y coherentes. El control de procesos define el sistema general, sus componentes, y sus respectivas capacidades. El control de procesos puede tener los siguientes nombres.

• Control de lotes (batch) continuos.

• Control de bucle cerrado.

• Control de bomba. Control de nivel.

• Control térmico de zona. Control automático.

 

Se tienen las siguientes ventajas:

 

• La capacidad de fabricar un producto con exactitud repetible.

• El uso mas eficaz y eficiente de las instalaciones de la planta.

• Permite al operador dedicarse a trabajos más productivos y que requiera mayor destreza.

• Se reducen las tareas aburridas y se evita que haya trabajadores expuestos a operaciones peligrosas.

• Mayor productividad, menor desperdicio.

 

Control de bucle abierto (sin realimentación)

Se denomina así a un sistema de control que no detecta su propia salida y por lo tanto no hace correcciones en el proceso. No hay retroalimentación al sistema de control que le permita a éste regular el proceso.

 

Control de bucle cerrado (con realimentación)

Ofrece al usuario la capacidad de programar una determinada operación de modo que se realice en forma regular y coherente. Un sistema de control que haya sido correctamente preparado hará ello independientemente de casi todas las influencias (perturbaciones) externas.

 

El control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) tiene como fin específico mantener la regularidad del proceso y compensar las perturbaciones externas.

 

Diagrama de Bloques de un Sistema Realimentado

Los sistemas de control se representan usualmente mediante una serie de bloques interconectados. Los bloques representan las funciones específicas del sistema. Ver figura 2-16.

 

 

Todo sistema realimentado puede dividirse en cuatro operaciones básicas:

 

1. Medición de la variable controlada.

La variable controlada puede ser temperatura, velocidad, espesor, presión de agua, etc. Como elemento de medición se usa un sensor, y la medición obtenida se convierte luego en una señal compatible con las entradas del control, por lo general voltaje (0-10V) o corriente (4-20mA). Esta señal representa a la variable controlada.

 

2. Determinación del error.

Esto se realiza en la sección de comparación.

Error = Vref - Vmedida (2-6)

 

3. La señal de error

Es usada luego por el control para cambiar el torque o la velocidad del motor.

 

4. La variable controlada

Se emplea después el torque o la velocidad del motor para reducir la señal de error accionando el control de manera que el valor real de la variable controlada se aproxime al valor de referencia (Vref). Es importante notar que los sistemas de control realimentados son accionados mediante el error; es decir, deberá existir un error antes que el sistema trate de hacer la corrección respectiva.

 

 

Definición de “P” (Ganancia Proporcional)

 

Es la amplificación que se aplica a la señal de error del proceso y que va a resultar en una determinada salida del control.

La ganancia proporcional se define como:

 

Donde: Aout= Salida del control

KP= Ganancia proporcional

E= Señal de error del proceso

 

La ecuación (2-7) se puede interpretar como:

 

• La amplitud de la salida del control es función del error del proceso, multiplicado por la ganancia proporcional.

• Para una determinada magnitud del error, cuanto mayor sea la ganancia proporcional, mayor será la salida.

• Para  un determinado valor de la ganancia  proporcional, cuanto mayor sea el error, mayor será la salida.

 

Ver figura 2-17 para aclarar la definición de ganancia proporcional.

 

 

Definición de “I” (Ganancia Integral)

 

La ganancia integral (al igual que la ganancia proporcional) es una amplificación de la señal de error del proceso, pero depende del tiempo.

 

Un error de estado estacionario que se mantienen durante un largo período de tiempo es conocido como desviación (offset o desequilibrio). La ganancia integral compensa esta desviación o error a largo plazo.

 

La ganancia integral se define como:

 

 

Donde:

Aout= Salida del control.

E= Señal de error del proceso..

At = Cambio en el tiempo.

 

• La salida del control (Aout) es igual a la ganancia integral (ki), multiplicada por el error acumulado durante un intervalo de tiempo t.

 

• El error de largo plazo se acumula a través del tiempo y la ganancia integral permite compensar y reducir el error de largo plazo.

 

En general, si usted usara en un proceso tan solo el control proporcional, la salida del control nunca haría que la variable controlada sea exactamente igual al valor de referencia. Siempre habría una pequeña cantidad de error. La característica integral detecta esta desviación de largo plazo y corrige la salida del control para reducir el efecto de tal desviación

 

 

Definición de “D” (Ganancia Diferencial)

 

El elemento diferencial es proporcional a la tasa de cambio del error del proceso. La ganancia diferencial se proporciona para reducir la sobremodulación (overshoot o sobreimpulso) del control de procesos durante perturbaciones repentinas de gran magnitud. El elemento diferencial responde únicamente durante las condiciones transitorias.

 

La ganancia diferencial se define como:

 

 

Donde:

KD: Ganancia Diferencial

AE/At : Cambio en la señal de error del proceso dividida por el cambio del tiempo.

 

La interpretación de la ecuación (2-9) es:

 

- Al producirse un gran cambio en el error del proceso durante un período fijo de tiempo, el termino diferencial ejercerá un efecto grande sobre la salida de control.

 

- Un pequeño cambio en el error del proceso durante un período fijo de tiempo ejercerá menor efecto sobre la salida del control.

 

En la mayoría de las aplicaciones la ganancia diferencial es raramente usada. De ser necesaria, se la deberá emplear con sumo cuidado, puesto que podría provocar inestabilidad.

 

 

Definición de “PID” (Proporcional, Integral, Derivativo)

 

Es la suma total de los tres elementos de ganancia, y puede expresarse como sigue:

 

 

Se puede interpretar la ecuación anterior:

 

• La ganancia Proporcional es una ganancia de estado estacionario y está siempre activa.

• La ganancia Integral estará activa solamente ante desviaciones por errores de largo plazo. No estará activa en el bucle de control cuando los errores son de breve duración.

• La ganancia diferencial estará activa solamente ante desviaciones por errores transitorios, de corto plazo. No estará activa en el bucle de control cuando los errores son de larga duración.

 

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 8 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo a mi email.

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