1. INTRODUCCION.
2.DIVISORES DE TENSION.
2.1. POTENCIOMETROS.
2. .2.DIVISOR RESISTIVO.
2.3. DIVISOR CAPACITIVO.
2.4 . DIVISOR RESISTENCIA-CAPACIDAD.
3.TRANSFORMADORES DE TENSION.
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE.
4 .ATENUADORES.
5. FILTROS.
6 .MODULACION.
7 .MUESTREO.
8.AMPLIFICACION Y ACCION DE CONTROL.
8.1. CONTROLADOR AUTOMATICO, ACTUADOR
Y ELEMENTO DE MEDICION.
A)ACCION DE CONTROL DE DOS POSICIONES
O DE ENCENDIDO-APAGADO.
B)ACCIONES DE CONTROL PROPORCIONAL, INTEGRAL
Y DERIVATIVA.
8.2.AMPLIFICADORES NEUMATICOS DE TOBERA Y ALETA.
8.3. RELEVADORES NEUMATICOS.
8.4. CONTROLADORES PROPORCIONALES NEUT4ATICOS.
BIBLIOGRAFíA.
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1.INTRODUCCION.–
De acuerdo con la estructura y finalidad de un Sistema de Control, se hace necesaria la comparación de la señal de salida con la señal de referencia, para la determinación del grado de consecución de objetivos establecidos, y actuar en consecuencia sobre el sistema fisico o proceso para modificar el parámetro deseado. Ello requiere la generación de señales analógicas o/y digitales, y el control de la potencia a aplicar, en la organización fisica y temporal del Sistema de Control., para obtener un funcionamiento correcto del mismo.
Las características funcionales de un Sistema de Control, en cuanto a la Adquisición y Distribución de señales, están determinadas por la Transducción, la Conversión Analógica-Digital ó Digital-Analógica, y el Acondicionamiento de Señales.
En la transducción, la cantidad de energía convertida por un transductor es pequeña, de manera que la salida hay que acondicionaría para adaptarla a las etapas siguientes. Si la cantidad de energía convertida y, por lo tanto, extraída del proceso, fuese grande, se podría llegar a perturbar el funcionamiento del proceso de una forma no deseada. De ahí la importancia de los circuitos de acondicionamiento de señal, encargados de la amplificación, filtrado y adaptación de la señal del transductor a otros elementos integrantes del sistema.
Por otra parte, hay que tener en cuenta la característica invasora de la transducción, en el medio que se desea valorar, en tanto que se produce un error en la medida de una detenninada magnitud, debido a la carga o descarga del transductor en el subsistema. La magnitud de dicho error, será función de la Impedancia de Entrada del transductor.
2.DIVISORES DE TENSION.
2.1.POTENCIOMETROS.–
El acondicionador mas simple para un potenciómetro, cuyo cursor se desliza o gira accionado por un dispositivo cuyo movimiento lineal o angular se desea medir, es el de la figura 1.
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La tensión V, está presente en toda la resistencia Rn. La posición del cursor A, determina la magnitud de la tensión aplicada a la carga.
La característica mas importante de los potenciómetros, es que la variación de su resistencia en función del giro o traslación del cursor, puede ser lineal, logarítmica o exponencial.
2..2.DIVISOR RESISTIVO.
Un típico divisor de tensión, puede consistir en una serie de resistencias con dos terminales de entrada, a los cuales se le aplica la tensión total, y dos o mas terminales de salida, en los extremos de los cuales se obtiene la fracción de tensión deseada, de la total.(figura 2).
figura 2
2.3.DWISOR CAPACITIVO.
El divisor capacitivo de tensión, es el adecuado para aplicaciones de alta frecuencia. Consiste en una cadena de condensadores en serie, siendo la división de tensión invérsamente proporcional a las magnitudes de sus capacidades.
El margen de frecuencias y la magnitud de las tensiones que se pueden escalar con un divisor de este tipo estará limitado por la resistencia de fuga de los condensadores y los errores introducidos por las capacidades parásitas.
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2.4.DIVISOR RESISTENCIA-CAPACIDAD...
El límite de alta frecuencia del divisor resistivo y el límite de baja frecuencia del divisor capacitivo se pueden superar mediante el divisor combinación R-C. La disposición básica es la de la figura 3.
iigura .~
Ajustando un componente capacitivo para que RlCl=R2C2==T (constante de tiempo), se puede expresar:
V2/Vl =(R2)/(R1±R2)
donde se ve que la división de tensión es teóricamente la misma para todas las frecuencias desde cero hasta infinito. En la práctica, las imperfecciones de los componentes determinan, en general, el límite de frecuencia superior.
3.TRANSFORMADORES DE TENSION-TRANSFpRM4j~p~5 DE
La utilización de transformadores de tensión y/o de intensidad en Sistemas de Control, viene a cubrir tres aspectos básicos, en cuanto a adaptación de señales:
a)Aislamiento de circuitos.
B)Evitar perturbaciones electromagnéticas, debidas a detenninados valores de corriente. C)Obtener intensidades de corriente, o tensiones, proporcionales a las deseadas, y transmitirlas a otros elementos integrantes del Sistema de Control, apropiados.
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4.ATENIJADORES.–
Los atenuadores son dispositivos constituidos por resistencias, siendo su misión reducir la tensión, la comente o la potencia suministrada por una carga.
Los dos tipos de atenuadores mas comunes, son los denominados en “L” y en “1”, representados en las figuras 4 y 5, respectivamente.
figura 4 figura 5
Si este dispositivo es regulable, se lama atenuador; si por el contrario, es fijo, es llamado corriéntemente reductor.
El tipo en “L” mantiene constante la resistencia en los extremos de un par de terminales para cualquier posición de las resistencias variables. Por ejemplo, en la figura 4, la resistencia ofrecida por la carga y el atenuador a los terminales a y b, permanece constante para cualquier posición de las resistencias variables Rl y R2.
En este caso, y teniendo presente que Rs no es un componente efectivo del atenuador aunque representa simbólicamente la resistencia interna de la batería, la resistencia ofrecida al paso de la corriente medida entre el punto a y el b, comprende Rs y Rl, en serie entre sí, y, a su vez, en paralelo con la combinación de la carga en paralelo con R2. En dicho circuito, Rs es igual a RL. La resistencia ofrecida al paso de la corriente entre el terminal c y el d, comprende a R2 en paralelo con la combinación serie de Rl y Rs con RL.
El atenuador en “L” funciona corréctamente sólo si la carga está conectada a los terminales c y d, y la fuente a los terminales a y b; es decir la carga y la fuente no son intercambiables.
En la figura 5, se representa un atenuador tipo ‘T’. Este atenuador mantiene constante la resistencia entre los dos pares de terminales para cualquier posición de la resistencia
variable (atenuador). Tal como puede verse observando la figura, en este tipo es necesario el empleo de otra resistencia variable.
La resistencia ofrecida al paso de la corriente entre los puntos a y b comprende Rs y Rl en serie entre sí, y a su vez, en paralelo con la combinación (que también está en paralelo) constituida por dos ramas, una de las cuales está representada por R2, y la otra por R3 en serie con RL.
Como Rs=RL y Rl=R3, la carga y la fuente son intercambiables sin que tal permutación altere el funcionamiento del atenuador en “T”. Como ya se ha indicado, la resistencia que hay entre los terminales a y b, es igual a la existente entre e y f.
Existen otros tipos de atenuadores mas complejos, como por ejemplo el tipo llamado de escala porque recuerda una escalera de cuerda; el atenuador puente de “T”, en el cual dos resistencias que constituyen la parte superior de la “1” están en paralelo con otra resistencia; y, en fin, los atenuadores de décadas, en los cuales la disposición de las resistencias componentes, se efectúa de modo que la tensión o la corriente de la fuente puede reducirse o atenuarse en fracciones decimales del valor máximo.
5.FILTROS.–
Ya se sabe, lo que en general, son los filtros mecánicos: dispositivos que dejan pasar determinados ingredientes, rechazando otros que son indeseables. Del mismo modo, y para las aplicaciones tratadas en este tema, los filtros seleccionan la energía de una frecuencia deseada o de una gama de frecuencias, rechazando las frecuencias indeseadas.
Dado que la reactancia de una bobina y de un condensador varia al variar la frecuencia; empleando varías disposiciones de bobinas, condensadores y circuitos sintonizados, es posible separar no solo la corriente continua de la alterna, sino también corrientes alternas de distintas frecuencias.
Si se utilizan tan solo resistencias no podrá realizarse la acción de filtraje porque a todas las comentes, independiéntemente de la frecuencia, se opone la misma resistencia. No obstante, cuando resistencia y capacidad e inductancia, se combinan en un circuito de filtraje, la resistencia regula la velocidad de carga y de descarga de la capacidad, influyendo entonces en la discriminación de frecuencia del filtro así constituido.
De acuerdo con lo anteriórmente expuesto, los filtros se clasifican según la gama de frecuencias que transmiten o rechazan. Un filtro paso bajo tiene una banda pasante en la zona de bajas frecuencias, mientras que un filtro paso alto permite sólo la transmisión de frecuencias altas. Los filtros pasa banda y de banda suprñnida se designan de acuerdo
con su capacidad de discriminar en favor o en contra de bandas de frecuencia específicas.
La frecuencia o frecuencias reales en las que tiene lugar la transmisión de banda pasante a banda suprimida varían de uno a otros casos, siendo un parámetro importante en el diseño de un filtro.
6.MODULACION.–
En un circuito, pueden existir simultáneamente dos o mas magnitudes alternativas. Supongamos que se trata de dos tensiones senoidales con amplitud y frecuencia distintas, según las cualidades del circuito al que se aplican juntas estas dos tensiones, las comentes alternas que circulan por el, se pueden presentar de muy diversas maneras..
Un circuito formado únicamente por resistencias puras es un circuito lineal; su característica de transferencia, sigue una recta y, por consiguiente, cualquiera que sea la tensión aplicada a la entrada, la corriente que circula será siempre proporcional, independiéntemente de los valores que tomen la tensión y la corriente.
Seria fácil argumentar ahora que la respuesta de un circuito no lineal no sería una línea recta y que por ejemplo, un diodo, o un transistor no constituyen circuitos totálmente lineales, dado que su función de transferencia tiene un comportamiento en buena parte curvilíneo. No obstante, hay una parte rectilínea que puede ser utilizada como tal.
Teniendo en cuenta que las señales pasan por circuitos con buenas características lineales, la simple superposición no cambia su naturaleza, tanto es así que empleando filtros adecuados puede obtenerse sucesivamente la separación de las dos magnitudes sin ninguna alteración. Sin embargo, cuando en la transducción de la señal se introduce voluntaria o casuálmente un elemento no lineal, se verifican interesantes cambios que, si se desea, ocasionarán la acción de modulación.
Por tanto, para mejorar la transmisión y almacenamiento o presentación de algunas señales, es conveniente modularías, es decir, como parte del proceso de acondicionamiento de la señal, se varía la salida del sistema de medida, normálmente de una forma dependiente del tiempo. La señal de entrada de bajo nivel se trocea (medula) convirtiéndola en una señal casi alterna.
Este tipo de modulación expuesto produce una señal en forma de tren de impulsos cuya altura depende del nivel de la señal de entrada, denominándose modulación de impulsos en amplitud.
Una alternativa la constituye la técnica denominada modulación por duración de impulsos, en la que al flanco de subida del impulso se produce a intervalos de tiempo
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fijos, el intervalo de tiempo entre dicho flanco y el final del impulso depende de la magnitud de la señal en el instante de muestreo.
La modulación de impulsos en posición se obtiene a partir de la modulación por duración de impulsos mediante diferenciación y rectificación.
Otra técnica de modulación que se puede aplicar a señales continuas, es convertir la tensión en frecuencia. Consiste en aplicar la señal continua a un oscilador controlado por tensión, cuya frecuencia de salida varía alrededor de una frecuencia de referencia en una cantidad que depende de la magnitud de la señal de entrada.
Para la transmisión, a veces es necesario modular una señal alterna. En tales casos, los métodos utilizados son los de modulación de amplitud, modulación de fase o modulación de frecuencia.
2~SIB~Q.-
En la mayoría de los sistemas de control, tanto si son lineales como si no lo son, todas las variables están presentes de un modo continuo y, por lo tanto, son conocidas en todo momento.
Otra categoría de sistema de control es aquella en que una o mas señales están muestreadas, de manera que se presentan como un tren de impulsos. Tal muestreo puede ser una propiedad inherente del sistema. Por ejemplo, un sistema de radar de seguimiento da su información sobre la posición de un avión en períodos discretos de tiempo.. Esta información se dispone, por tanto, como una sucesión de datos puntuales. El proceso de muestreo puede realizarse según un ritmo constante o variable, o bien de naturaleza aleatoria.
El proceso de muestreo puede considerarse como una modulación en la que un tren de impulsos unitarios p(t) multiplicado por una función continua f(t) del tiempo produce una función muestreada f~(t), figura 6, a, b y c.
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8.AMPLIFICACION Y ACCION DE CONTROL.
Un controlador automático compara el valor real de la salida de la planta con el valor deseado, determina la desviación y produce una señal de control que reduce la desviación a cero o a un valor pequeño. La forma en la cual el controlador produce la señal de control se llama acción de control.
8.1.CONTROLADOR A1JTOMATICO. ACTIJADOR Y ELEMENTO DE MEDICION.
La figura 7, es un diagrama de bloques de un sistema de control industrial, el cual consta de un controlador automático, un actuador, una planta y un elemento de medición. El controlador detecta la señal de error actuante, la cual usuálmente está en nivel muy bajo de potencia, y la amplifica a un nivel suficiéntemente alto. Así, el controlador automático comprende un detector de error y un amplificador. A menudo se usa un circuito de realimentación adecuado, junto con un amplificador para componer la señal de error actuante y producir una mejor señal de control.
figura 7
El actuador es un elemento que produce la entrada a la planta de acuerdo con la señal de control, de modo que la señal de realimentación corresponda a la señal de entrada de referencia.
El elemento de medición es un dispositivo que convierte la variable de salida en otra
variable adecuada, tal como desplazamiento, presión o voltaje, la cual puede usarse para comparar la salida con la señal de entrada de referencia. Este elemento se encuentra en lazo de realimentación del sistema de malla cerrada. El punte de ajuste del controlador debe convertirse en una entrada de referencia con las mismas unidades de la señal realimentada desde el elemento de medicion.
A)ACCION DE CONTROL DE DOS POSICIONES O DE ENCENDIDO-
APAGADO:
En el sistema de control de dos posiciones, el actuador tiene sólo dos posiciones fijas, las cuales son, en muchos casos, simplemente de encendido y apagado.
El control de dos posiciones o de encendido y apagado es sencillo y barato, por esta razón, se usa ámpliamente en sistemas de control tanto industriales como domésticos.
Para explicar el concepto, supongamos que la señal de salida del controlador es m(t), y la señal de error actuante sea e(t). En el control de dos posiciones la señal m(t) permanece en un valor, ya sea máximo o mínimo, dependiendo de que la señal de error actuante sea positiva o negativa, de modo que:
m(t)=Ml para e(t) >- O
m(t)=M2 para e(t) -< O
donde Ml y M2 son constantes. El valor mínimo M2 es generálmente cero o -Ml. Como regla, los controladores de dos posiciones son dispositivos eléctricos y en estos se usa ámpliamente una válvula eléctrica operada por solenoide.
Los controladores proporcionales neumáticos con muy alta ganancia actúan como controladores de dos posiciones y en ocasiones se les llama de dos posiciones neumáticos.
La escala a través de la cual la señal de error del actuador debe moverse antes que ocurra la comnutación se llama claro diferencial. Dicho claro causa que la salida del controlador m(t) mantenga su valor presente hasta que la señal de error del actuador se haya movido ligéramente mas allá del valor “O”.
En algunos casos, el claro diferencial es el resultado de una fricción no intencional y de pérdida de movimientto, sin embargo, muy a menudo se proporciona intencionálmente con el objeto de evitar una operación muy frecuente del mecanismo de encendido-apagado.
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Además de la acción de control de dos posiciones o de encendido-apagado, las acciones de control proporcional, integral y derivativa son acciones de control básicas que se encuentran en los controladores automáticos industriales. Para cada acción de control, la relación entre la salida del controlador M(s) y la señal de error del actuador E(s), se establece por una función de transferencia de forma específica.
En relación con el controlador de acción de control proporcional, M(s) y E(s), están relacionados por:
M(s)/E(s)~zG(s)=Kp
donde Kp se llama GANANCIA PROPORCIONAl.
Para la acción de control integral, la relación es:
M(s)/E(s)’G(s}=Ki/s
donde Ki es una constante.
Para la acción de control proporcional integral, la relación es:
M(s)/E(sftG(s)=Kp( 1+ 1/Tis)
donde Kp es la ganancia proporcional y Ti es una constante llamada tiempo integral. Para la acción de control proporcional derivativa, la relación es:
M(s)¡E(s)0(s)=Kp( 1 +Tds)
donde Kp es la ganancia proporcional y Td es una constante llamada tiempo derivativo. En forma similar, para la acción de control proporcional integral derivativa, la relación es:
M(s)/E(s)=’G(s)=Kp( 1 +( l/Tis)-i-Tds)
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8.2.AMIPLWICADORES NEUMATICOS DE TOBERA Y ALETA.
En la figura 8, aparece un diagrama esquemático de un amplificador neumático de tobera y aleta. En este sistema se alimenta aire a presión a través del orificio, y ese aire se alimenta de la tobera hacia la aleta.
Para asegura el funcionamiento correcto del amplificador, el diámetro de la tobera debe ser mayor que el diámetro del orificio.
Al operar el sistema, la aleta se posiciona contra la abertura de la tobera. La presión de respaldo de la tobera Pb se controla mediante la distancia entre la tobera y aleta. A medida que la aleta se aproxima a la tobera, la oposición al flujo de aire a través de la tobera se incrementa, con el resultado de que la presión de respaldo de la tobera Pb se mcrementa.
Si la tobera queda complétamente cerrada por la aleta, la presión de respaldo de la tobera Pb se hace igual a la presión de suministro Ps.
figura 8
Si la aleta se separa de la tobera, de modo que se amplíe la distancia entre tobera y aleta, entonces casi no hay restricción al flujo y la presión de respaldo Pb adopta un valor minimo que depende del dispositivo tobera-aleta. La presión mas baja posible es la presión ambiente Po.
En la figura 9, se muestra una curva típica de la relación entre la presión de respaldo de la tobera Pb y la distancia tobera-aleta x. La parte inclinada y casi lineal de la curva se utiliza en la operación real del amplificador de tobera y aleta.
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figura 9
El amplificador de tobera y aleta convierte el desplazamiento en una señal de presión. Puesto que los sistemas de control industriales requieren una gran potencia de salida
para operar grandes válvulas actuadoras neumáticas, la amplificación de potencia del amplificador de tobera y aleta es usuálmente insuficiente. En consecuencia, un relevador neumático a menudo sirve como amplificador de potencia en combinación con un amplificador de tobera y aleta.
8.3.RELEVADORES NEIJMATICOS.
En la práctica, en un controlador neumático, un amplificador de tobera y aleta actúa como un amplificador de primera etapa y un relevador neumático como amplificador de segunda etapa. El relevador neumático es capaz de manejar una gran cantidad de flujo de aire.
En la figura 10, se muestra un diagrama esquemático de un relevador neumático. A medida que la presión de respaldo de la tobera Pb se incrementa, la válvula de esfera es forzada a su asiento inferior, haciendo decrecer, por lo tanto, la presión de control Pc. Tal relevador se llama relevador de acción reversa.
Cuando la válvula de la esfera se encuentra en lo mas alto de su asiento, la abertura a la atmósfera se cierra y la presión de control Pc se hace igual a la presión de suministro
PS.
Cuando la válvula de la esfera está en el fondo de su asiento, interrumpe el suministro de aire y la presión de control Pc cae hasta la presión ambiente.
La presión de control Pc puede así variar desde la presión manométrica cero hasta la
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presión de suministro total. El movimiento total de la válvula de esfera entre sus asientos superior e inferior es pequeño.
figura 10
En todas las posiciones de la válvula de esfera, excepto en su asiento superior, el aire continúa fluyendo hacia la atmósfera, aun cuando se alcance una posición de equilibrio entre la presión de respaldo de la tobera y la presión de control.
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8.4.CONTROLADORES PROPORCIONALES NEIJMATICOS.~
En el diagrama esquemático de un controlador proporcional neumático mostrado en la figura 11, el amplificador de tobera y aleta constituye el amplificador de primera etapa, y la presión de respaldo de la tobera se controla mediante la distancia tobera-aleta. El amplificador del tipo de relevador constituye el amplificador de segunda etapa. La presión de respaldo de la tobera determina la posición de la válvula de esfera en el amplificador de segunda etapa.
Este controlador opera como sigue. La señal de entrada al amplificador neumático de dos etapas es la señal de error del actuador. Al incrementarse la señal de error del actuador se mueve la aleta hacia la derecha..
Este paso decrementará, a su turno la presión de respaldo de la tobera y el fuelle B se contraerá, lo que resultará en un movimiento hacia arriba de la válvula de esfera.
En consecuencia, hay mas aire fluyendo hacia la válvula neumática y la presión de control se incrementa.
Este incremento hará que el fuelle F se expanda y mueva la aleta hacia la izquierda, cerrando así la tobera. Por esta realimentación el desplazamiento tobera-aleta es muy pequeño, pero el cambio en la presión de control puede ser grande.
Si el cambio en el error del actuador decrece, la presión de respaldo de la tobera se incrementa y la válvula de esfera se mueve hacia abajo, resultando, por tanto, en un decremento del flujo de control y un incremento en la descarga a la atmósfera. Esta situación puede causar que la presión de control disminuya.
Debe notarse que la operación apropiada del controlador requiere que el fuelle de realimentación mueva la aleta menos que el movimiento causado por la señal de error solitaria, ya que si estos dos movimientos fueran iguales, no resultaría acción de control alguna.
BIBLIOGR4FIÁ
-DINAMICA DE SISTEMAS. Katsuhiko Ogata. Editorial PRENTICE HALL.
-SISTEMAS REALIMENTADOS DE CONTROL. D’azzo-Houpis. Editorial
PARANINFO.
-TRANSDUCTORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL. Ramón Pallás Areny. Editorial MARCOMBO.