1 introducció
2 Elements components d’un sistema de control
El COMPARADOR
2 TIPUS DE COMPARADORS BÀSICS.
2.1 COMPARADOR PNEUMÀTIC.
2.2 COMPARADOR ELECTRÒNIC.
2.3 COMPARADOR ELÈCTRIC.
POTENCIÒMETRES
TRANSFORMADOR DIFERENCIAL EN
COMPARADOR SILVERSTAD
COMPARADOR CAPACITIU
COMPARADORS FOTOELÈCRICS
COMPARADOR ELECTROMAGNÈTIC
2.4 COMPARADOR MECÀNIC.
1 introducció
Un sistema de control és un conjunt de components que actuen conjuntament i que persegueixen un objectiu determinat (manteniment d’una temperatura, pressió…).
Els sistemes de control tenen unes entrades i unes sortides. Les entrades són els estimuls o les excitacions que s’apliquen externament al sistema amb el fí d’obtenir d’aquest una resposta especificada. Les sortides són les respostes obtingudes dels sistemes de control.
Les sortides són les respostes obtingudes dels sistemes de control. Un sistema es representa simplificadament:
L’estudi d’un sistema consisteix a obtenir la relació entre les sortides i les entrades. O sigui:
Si(t)=fi(e1(t), e2(t),…,em(t))
Malgrat tot, en la pràctica estudiem una sola de les sortides, i de les variables d’entrada ens fixem en aquella que actua de manera més directa, considerant la resta com perturbacions. Simplificant:
S(t)=f(e(t)).
2 Elements components d’un sistema de control
Generador del senyal de referència: dispositiu capaç de generar una senyal d’igual o diferent magnitud que la senyal de sortida del sistema que es vol controlar. Aquesta senyal, relacionada directament amb el valor de sortida, és l’encarregada d’imposar el valor desitjat a la sortida.
La senyal de referència es canalitza cap a un dispositiu comparador, amb la finalitat de ser comparada amb la senyal que tenim a la sortida , a través del llaç de realimentació, i detectar el possible error.
Les senyals més utilitzades com a variables de referència solen ser: tensió o intensitat elèctrica, pressió pneumàtica o posició mecànica.
Transductor de la senyal de sortida: dispositiu capaç de mesurar en cada instant el valor de la magnitud de sortida i proporcionar una senyal proporcional a aquest valor. Normalment consta de dues parts:
El captador (sensor) : Capta directament la magnitud mesurada (pressió, nivell, cabal, velocitat, posició, il·luminació, Tª…) amb objecte de transformar-la en una altra magnitud de valor proporcional. Normalment desplaçament linear o angular.
El transmissor: transforma la magnitud vista pel captador a una altra magnitud que sol ser elèctrica o pneumàtica. Aquesta senyal es la enviada al comparador per a que sigui comparada amb la senyal de referència.
El comparador (detector d’error): Compara la senyal de referència amb la senyal realimentada (es resten), el resultat constitueix l’error de funcionament o desviació de la sortida respecte del valor previst. Físicament pot ser un amplificador diferencial, un potenciòmetre…
El controlador (corrector d’error): amplifica i modifica la senyal d’error amb la finalitat de que l’acció de control sobre el sistema sigui més eficaç i presenti millors característiques de funcionament en quant a precisió, estabilitat, temps de resposta i sobreoscil.lacions. Els correctors d’error més utilitzats són: el proporcional derivatiu P.D., proporcional integral P.I., proporcional integral-derivatiu P.I.D.
A vegades el controlador agrupa en un sol mòdul: el generador del punt de consigna, el comparador, i l’algoritme de control (P, PD, PID…).
L’amplificador de control (amplificador de potència): amplifica la senyal del corrector fins a uns nivells que siguin capaços d’activar els elements de control. (Amp. magnètics, amp. transistoritzats, relés, tiristors i triacs, etc… )
L’element final de control (actuadors): Té l’objectiu de modificar el comportament de la planta o procés, actua directament per a que la variable de sortida tingui el valor desitjat. Les variables que activen aquests elements acostumen a ser del tipus d’intensitat elèctrica, cabal de líquid o vapor… .Com a elements de control destaquen els servomotors elèctrics, hidropneumàtics, resistències…
La planta o procés és el lloc on es desitja realitzar una acció de control: habitació, forn, dipòsit…
Un exemple d’un sistema de control seria una regulació automàtica d’una magnitud de sortida sobre una planta o procés, per exemple la temperatura, que roman constant o que varia lentament amb el temps i on la tasca fonamental consisteix en mantenir el valor desitjat a la sortida malgrat les pertorbacions presents. Per automatitzar aquest sistema ens caldrà disposar d’elements de medició de temperatura (transductors com PTC, o NTC…), que captin aquesta magnitud, la comparin amb una senyal d’entrada (temperatura desitjada) apreciïn si hi ha o no un error a través dels elements comparadors (potenciòmetre, amplificador operacional…) i proporcionin una informació a un controlador, en aquest cas de tipus elèctric. El controlador analitzarà la informació que li és proporcionada, i actuarà en conseqüència activant o desactivant un element de control, que en aquest cas pot ser un reòstat o una estufa.
L’adaptació i amplificació de senyal es pot fer abans o després del comparador, dependrà de les característiques del nostre sistema, tot i que és més usual fer-ho abans, a fi de condicionar les senyals dels transductors, que acostumen a ser dèbils.
Aquest sistema de control s’anomena de llaç tancat ja que la sortida té un efecte directe sobre la acció de control.
Altres exemples d’aplicació de controls automàtics: A més de la importància en vehicles espacials, guiatge de projectils, pilotatge d’avions, també són molt importants en operacions industrials: control de pressió, temperatura, humitat, viscositat, flux, velocitat…i en processos productius: maquinat, maniobra i muntatge de peces…
Qualsevol sistema de control requereix: Que sigui estable i que la velocitat de resposta sigui raonablement alta , presentant un amortiment raonable. A més ha de poder reduir a zero o a un valor baix els errors.
Els sistemes automàtics permeten un funcionament òptim de sistemes dinàmics , milloren la qualitat i abarateixen els costos de producció, augmenten el ritme de producció, alliberen de la complexitat de moltes rutines, de tasques manuals repetitives, etc…
L’aplicació microelectrònica i l’ordinador han aconseguit un augment i una optimització de la productivitat en tots els processos.
El COMPARADOR és l’element que s’encarrega de determinar la diferència entre el punt de consigna o valor desitjat a la sortida, determina la desviació i produeix una senyal de control que redueix la desviació a zero o a un valor molt petit.
2 TIPUS DE COMPARADORS BÀSICS.
La diferència entre el valor mesurat de la variable controlada i el valor de consigna s’aconsegueix per diferents procediments.
La majoria utilitzen com a fonts de potència l’electricitat o un fluid a pressió que pot ser oli o aire.
El tipus de control a utilitzar dependrà de la naturalesa de la planta, condicions de funcionament, cost, seguretat, disponibilitat, precisió, tamany…
Tipus:
· COMPARADOR PNEUMÀTIC.
· COMPARADOR ELECTRÒNIC.
· COMPARADOR ELÈCTRIC.
· COMPARADOR MECÀNIC.
2.1 COMPARADOR PNEUMÀTIC.
En la figura es veu un comparador pneumàtic que determina la diferència de dues senyals en forma de pressió utilitzant un fuet. L’esquema simbòlic és el següent. L’element que determina el resultat de la comparació és bàsicament una palanca que actua pel principi d’equilibri de forces, i que a través d’un sistema tovera/obturador i un relé pneumàtic converteix la diferència en un valor pneumàtic.
2.2 COMPARADOR ELECTRÒNIC.
Es construeixen típicament a partir d’un amplificador operacional que treballa com un restador i que té totes les resistències iguals.
2.3 COMPARADOR ELÈCTRIC.
POTENCIÒMETRES
El valor de la variable controlada i el valor de consigna són en aquest cas diferències de potencial.. Un potenciòmetre s’anomena lineal si la resistència per unitat de longitud és constant. Això normalment no és així i els potenciòmetres segueixen corbes exponencials, logarítmiques, en S…
Els potenciòmetres poden ser tant circulars com de translació. Els potenciòmetres dels circuits de control difereixen dels altres potenciòmetres en el fet que són elements de gran precisió, poca inèrcia, poc parell de fregament i duradors. No sol n’hi ha de 360º, n’hi ha també potenciòmetres multivolta que permeten donar varis tombs (3,5-15voltes) en un mateix sentit, augmentant la precisió.
La tensió del contacte mòbil dona una mesura de la posició de l’eix.
Mesurables amb un pont de potenciòmetres
TRANSFORMADOR DIFERENCIAL EN E
Detecta petits desplaçaments, tant lineals com angulars i els transforma en una senyal elèctrica.
Està constituït per dos nuclis magnètics. El principal en forma de E, el secundari és una simple barra que tanca el circuit magnètic. En cada braç extrem tenim una bobina, les dues bobines són idèntiques i connectades en oposició. En el braç central tenim una bobina en la que s’aplica una tensió alterna.
Si el nucli de tancament està perfectament tancat el doble circuit magnètic és simètric, els fluxos parcial són idèntics i les tensions induïdes V1 i V2 són iguals i oposades, amb la qual cosa la tensió de sortida és nul·la.
Qualsevol desplaçament de la barra lineal desequilibra el sistema de fluxos, i en conseqüència proporciona una variació de magnitud i polaritat. La magnitud és proporcional a la desviació del nucli respecte del centre, la polaritat depèn del sentit de la variació.
Aplicada la senyal d’error a un servomotor pot aconseguir que la senyal torni a les condicions desitjades.
Condicionants: la construcció ha de ser molt esmerada per aconseguir la simetria desitjada.
COMPARADOR SILVERSTAD
Es basa en el desequilibri creat en una de les branques d’un pont de Wheatstone. El pont és pot alimentar amb tensió contínua o alterna, segons la naturalesa de l’error desitjada.
Una espiga mòbil conductora en el seu desplaçament curtcircuita , per mitjà d’unes làmines de contacte, porcions creixents de resistència d’una de les dues branques variables del pont. Quan major és la desviació, major és el desequilibri i major la tensió de sortida.
COMPARADOR CAPACITIU
Es composa en essència d’un condensador en el qual una de les dues armadures esta composada per dues plaques A i B alimentades amb corrent alterna i en oposició de fase, l’altra armadura C va unida a un dels bornes de sortida. Una placa intermèdia D es pot desplaçar en un o altra sentit. Quan D roman centrada respecte de les altres armadures, les dues carregues que apareixen en C són iguals i de sentit oposat per la qual cosa la senyal de sortida és nul·la. El desplaçament de D produeix el desequilibri i origina una sortida variable a la magnitud d’aquest.
COMPARADORS FOTOELÈCRICS
Basat en l’ús de fotocèl·lules, conductives o resistives. En les primeres, la llum genera una tensió elèctrica proporcional a la intensitat de la mateixa, en les segones no es genera tensió però la resistència del material sensible varia en proporció inversa a la intensitat de llum.
El principi de funcionament comú és el següent: Mentre el sistema és simètric, les dues cèl·lules reben la mateixa intensitat lluminosa i generen senyal elèctriques iguals. Al produir-se una desviació o desplaçament l’equilibri desapareix i cada cèl·lula genera un senyal de diferent nivell.
En el primes cas s’utilitza un prisma P que reflecteix lateralment la llum cap a les cèl·lules C1 i C2. Quan el prisma esta centrat respecta ambdues cèl·lules, aquestes reben la mateixa quantitat de llum reflectida, per el contrari quan es desplacen en el sentit de les fletxes, l’excés de llum que rep una de les cèl·lules es tradueix en una major senyal elèctrica, proporcional al desplaçament o error.
En altres comparadors es substitueix el prisma per les pantalles 1,2 i 3. Quan 3 esta centrat respecte 1 i 2 els feixos lluminosos que passen per les escletxes formades són iguals , aleshores C1 i C2 reben idèntica quantitat de llum. Quan la pantalla 3 es desplaça amunt o avall, una de les escletxes s’eixampla i l’altra s’estreny amb la qual cosa la llum que incidirà sobre les cèl·lules variarà.
Per a detectar desviacions angular s’utilitza el sistema de la figura 11. El feix de llum incideix sobre un mirall pla E solidari a l’eix de rotació i es reflectit cap a les cèl·lules C1 i C2 , una petita pantalla G té la finalitat que cada una rebi el seu propi feix. En condicions d’equilibri les dues cèl·lules rebran la mateixa quantitat de llum. Qualsevol desviació angular positiva o negativa farà variar els respectius fluxos lluminosos.
Recordar que no es pot determinar el sentit de l’error. S’hauria d’utilitzar una senyal d’escombrada
COMPARADOR ELECTROMAGNÈTIC
Es basa en el canvi de reluctància que experimenta un circuit magnètic al variar el seu entreferro per desplaçament d’una armadura polar de tancament.
2.4 COMPARADOR MECÀNIC.
En ells es comparen dos moviments.
El sistema està format per una barra unida mitjançant dues ròtules a dues barres A i B. Una de les barres determina el punt de consigna i l’altre el valor de la variable controlada.
Normalment s’escull com a posició d’equilibri el punt en que les barres estan perpendiculars.
Una desviació de la posició, motivada per una desviació de la posició pot servir per a determinar la mesura de l’error.