CONTROLADORESCONTROLADOR ELÉCTRONICO

Control todo-nada ó control en lazo abierto

Control proporcional de tiempo variable Control proporcional Controlintegral Control derivativo Control proporcional + integral + derivativo (PID)

CONTROLADOR AVANZADO Controlador multivarible Controlador de relacion

CONTROLADORES ELECTRICOS

Control todo-nada ó control en lazo abierto Control flotante Control proporcional de tiempo variable Control proporcional Control proporcional + integral Control proporcional + derivado Control proporcional + integral + derivado

Control todo- Aquellos en los que la variable de salida (variable

nada ó control en lazo abierto

controlada) no tiene efecto sobre la acción de control (variable de control). 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. La salida no se compara con la entrada de referencia, por ello cada entrada corresponderá a una operación prefijada sobre la señal de salida. Se puede asegurar entonces que la exactitud del sistema depende en gran manera de la calibración del mismo y, por tanto, la presencia de perturbaciones en la cadena (señales indeseadas) provocará que éste no cumpla la función asignada.

Partes del instrumento: Resistencia R1

Resistencia R2 Terminal ATerminal BTerminal de salidaAmplificador (C)

Funcionamiento: Cuando la señal en el terminal B aumenta unos pocos milivoltios con relación a la del terminal A, la salida Vo aumenta y es realimentada vía la resistencia R2 a la entrada del amplificador! bloqueando éste. El amplificador permanece en estas condiciones gracias al divisor de tensión que forman los terminales B y la salida. Para que las condiciones iniciales se restablezcan, la señal de entrada debe bajar los suficientes milivoltios, con relación al terminal inversor, para compensar el efecto del divisor de tensión RIR2' El valor de la zona muerta depende de la relación R2/ Rl Y será tanto más pequeña cuanto mayor sea esta relación. Envían una señal de activación ("Sí", "Encendido" o "1") cuando la entrada de señal es menor que un nivel de referencia definido previamente y desactiva la señal de salida ("No", "Apagado" o "0") cuando la señal de entrada es mayor que la señal de referencia

Rango de funcionamiento.

Potencia calórica máxima en los periodos de “encendido” entre 15 y 80 vatios.El valor de solape esta entre 0 y 4V.salida eléctrica entre 15 y 80 vatios según determine la señal controladora

Tipo de señal que emite:

Señal eléctrica Se programa utilizando PLCs (controladores de lógica programable)

Como se enlaza en un circuito:

Terminal de salida se conecta un circuito de excitación del relé final de control. Una resistencia conectada en serie con el terminal no inversor del amplificador y con una resistencia conectada entre este último terminal y el de salida del amplificador.

Ventajas: Para cada entrada de referencia le corresponde una condición de operación fijada

Desactiva la señal de salida cuando la señal de

C

entrada es mayor que la señal de referenciaDesventajas. No se compara la salida del sistema con el valor

deseado de la salida del sistema (referencia). La exactitud de la salida del sistema depende de la

calibración del controlador Inexistencia de perturbaciones externas o de

variaciones de los parámetros internos del sistema Su realización implica sistemas excesivamente caros En presencia de perturbaciones estos sistemas de

control no cumplen su función adecuadamenteAplicación Control de nivel y temperatura en procesos de gran

capacidadSímbolo

Control proporcional de tiempo variable

Es otra variante de un controlador todo o nada. La relación del tiempo de conexión al de desconexión final es proporcional al valor de la variable controlada. La longitud de un ciclo completo (conexión + desconexión)es constante, pero la relación entre los tiempos de conexión a desconexión de cada ciclo varia al desviarse la variable controlada del set point. El cambio en la salida del controlador según el set point es proporcional al error con lo que existe una relación lineal entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (dentro de la banda proporcional), es decir la válvula se mueve el mismo valor por unidad de desviación. La acción correctora es un múltiplo simple y fijo del error medido, es como si fuera un multiplicador

Partes del instrumento:

Resistencia R1,R2,R3,Ra,RbTerminal de salidaAmplificador (C)Condensador (C1)Terminal B Terminal AOscilación

Funcionamiento: C1 entre la salida y la entrada inversora, para conseguir de este modo un retardo en la realimentación inversora y hacer que el circuito entre en oscilación. El circuito funciona del modo que a continuación se detalla: Sea la tensión en A nula y la tensión en B negativa con respecto a A. Evidentemente, la señal de salida será negativa, con lo cual el condensador C1 se cargará negativamente y el divisor de tensión RaR1R2 impedirá que el terminal inversor del amplificador operacional tenga menor tensión negativa que la entrada no inversora. Si ahora la entrada B se hace positiva con relación a A, la señal de salida se hará positiva, cargando también positivamente el condensador C1 en un tiempo que depende de los valores de R2 y C1. En el instante en que la carga positiva de el es suficiente para compensar el divisor de tensión formado por RaRb la entrada inversora se hace positiva, provocando el cambio de signo en la señal de salida, pasando ésta a negativa. A continuación, la carga del condensador se hace negativa y va aumentando hasta que sobrepasa la influencia del divisor de tensión RaRb con lo cual la entrada inversora se hará negativa y por lo tanto la señal de salida cambiará ahora a positiva, y así sucesivamente. Estas oscilaciones en la salida tienen la forma de onda cuadrada, de amplitud casi equivalente a la tensión de alimentación. Las variaciones de la tensión de entrada B cambiarán la tensión real media de carga del condensador C1 lo que fijará la proporción entre el tiempo de conexión y el de desconexión del relé de salida. Es decir, si esta tensión media es de 0 V, los tiempos serán iguales y la relación valdrá 1/ 1. El sistema utilizará diferentes partes de la curva de carga/ descarga del condensador variando la señal de entrada B. Por otro lado, la

proporción entre el tiempo de conexión/desconexión del relé de salida vendrá fijada por el punto de trabajo del condensadorC1.

Rango de funcionamiento

 La tensión media es de 0 V

Tipo de señal Señal eléctricaComo se enlaza en

el circuito Terminal de salida se conecta un circuito de excitación del relé final de control. Una resistencia conectada en serie con el terminal no inversor del amplificador y con una resistencia conectada entre este último terminal y el de salida del amplificador, un retardo en la realimentación inversora y hacer que el circuito entre en oscilación. Unido aun el condensador en un tiempo

Ventajas La proporción entre el tiempo de conexión/desconexión del relé de salida vendrá fijada por el punto de trabajo del condensador

Desventajas El sistema se hace relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de los parámetros del sistema.

aplicación Procesos con pequeños tiempos de retardo

simbolo

Control proporcional

El control proporcional es usado a menudo en sistemas donde el valor de la variable controlada cambia constantemente en respuesta a los disturbiosEl controlador responde a incrementos en la variable controlada, presión del calentador.Los controladores proporcionales son diseñados para mantener una continua relación entre la variable controlada y la posición del elemento final de controlLa 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, pero en la mayoría de los casos, estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango.

Partes del instrumento:

Terminal A Resistencia (R1,R2,Rg,Ra,Rb,Rf,Ro)Amplificador (C)Intensidades (io,if,ib,i1,i1,i2)Voltaje (Vo)Terminal de salidaTerminal B

Funcionamiento El principio de operación del control proporcional puede ser ilustrado considerando como se controla la presión en un calentador. El vapor producido es la variable controlada. La proporción del flujo del combustible es la variable manipulada. Para disminuir esta elevada ganancia es necesario realimentar la señal de salida a la entrada inversora -Ve mediante una resistencia Rf, Y como nos interesará que la señal de entrada tenga un valor distinto de cero, se añade al circuito otra resistencia Ra. En la figura 9.30 a puede verse el nuevo esquema de conexionado. Consideremos ahora que las señales de entrada y salida sean nulas; evidentemente no habrá circulación de corriente a través de las resistencias Rr y Ra. Si ahora la entrada inversora A cambia a 1 + 1 V, la tensión de salida variará en la dirección - Ve hasta que la corriente de entrada del amplificador se reduzca a cero (ya que es un amplificador diferencial). Esta condición se alcanza. Cuando de aquí, ganancia del amplificador

Si en lugar de variar la señal de entrada inversora A, es la entrada no inversora B la que cambia únicamente en + 1 V, la señal de salida variará positivamente en la dirección + Ve hasta que la realimentación - Ve, a través de la resistencia Rr, aumente la señal en la entrada inversora el mismo valor que la entrada no inversora B. En estas condiciones, la ganancia del amplificador es:

ya que se verifica

La igualdad de estas dos ganancias se logra mediante un divisor de tensión aplicado a la entrada no inversora B Esta diferencia de ganancias, aunque no sea muy acusada debido a las características particulares del amplificador, debe eliminarse en las aplicaciones verdaderamente diferenciales.

Tipo de señal Señal de errorSeñal analógicaSeñal de controlSeñal tipo escalon

Rango de funcionamiento

La sobreoscilación no debe sobrepasar el 30%.La entrada tenga que ser muy débil, del orden de 0,2 m V El tiempo de establecimiento (ts) inferior a 1 seg, El 50 por ciento de entrada es requerido para obtener un rango completo de salida

Como se enlaza en el circuito

Cuando el controlador proporcional recibe la señal del censor, esta es la presión transmitida por el vapor caliente, el controlador responde a cualquier desviación del set point en el elemento final de control. El elemento final de control, una válvula de control de combustible puede estar en posición abierta, cerrada, o en cualquier otra posición intermedia, también será posicionada en proporción a la desviación. La capacidad de ajustar la posición de la válvula, permite un mayor ajuste gradual del flujo de combustible como los cambios de presión del calentador.

Ventajas A medida que aumenta la ganancia del control proporcional el error estacionario ante una entrada de tipo rampa disminuye.En sistemas que poseen una diferencia entre el grado del denominador y el numerador de su función de transferencia mayor que dos (poseen por lo menos dos polos más que el número de ceros).

Desventajas El aumento de la ganancia del control proporcional

conlleva, generalmente, un empeoramiento de la respuesta transitoria del sistema en lazo cerrado:- Aumento del sobre impulso- Disminución del tiempo de pico.- Aumento del tiempo de establecimiento

aplicaciones Presión, temperatura y nivel donde el offset es inconveniente

Símbolo

Control integral En un controlador integral, la señal de salida del mismo varia en función de la desviación y del tiempo en que se mantiene la misma, o dicho de otra manera, el valor de la acción de control es proporcional a la integral de la señal de error.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 consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por un período determinado; Luego es multiplicado por una constante I. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario.La acción integral a menudo es llamada reajuste, porque reajusta la salida del controlador hasta que el set point sea alcanzado. La acción de reajuste está determinada en “repeticiones por minuto” o “minutos por repetición”.La proporción en que acción integral es implementada, no se tiene un impacto negativo en la estabilidad del proceso. El único tipo de aplicación en la que el periodo de tiempo no es un problema, es en el control de flujo.

Partes del instrumento:

Terminal ATerminal BTerminal de salidaAmplificador (C)Voltaje (Vo)Resistencia (Ri,Ra,Rb,Rf)Condenasdor(Ci)señal de error (PV-SP),Intensidades (ii,ib,)

Funcionamiento La figura 9.31 a tiene el inconveniente de invertir la señal de salida con relación a la señal de error (PV-SP), lo cual es indeseable en algunas aplicaciones. Para evitarlo puede conectarse la señal de error a la entrada no inversora, dejando el condensador de integral entre la salida y la entrada inversora y conectando esta última a la línea de cero voltios a través de una resistencia (figura 9.31 b).Cuando se aplica una señal de error positiva PV -SP a la entrada no inversora B, la salida cambia en una dirección positiva, con lo cual el condensador Ci se va cargando, pasando así una corriente i a través de la resistencia Ri lo que provoca una variación de la carga del condensador. La disminución de tensión correspondiente creada en la entrada inversora del amplificador hace que la salida aumente en una dirección positiva, lo cual a su vez hace que el terminal negativo, a través del condensador C, pase a tener una tensión positiva, manteniendo la corriente ii en la resistencia Ri y continuando indefinidamente esta cadena de acontecimientos, acción que recibe el nombre de integración.

Para un error PV-SP positivo, la señal de salida cambia en forma de rampa positiva. La velocidad de variación de la salida depende de los valores de C¡ y R¡ así como del valor de la señal de error. La señal de error vista por el amplificador operacional, puede variarse conectando la resistencia R¡ al cursor de un potenciómetro conectado entre la entrada B de la señal de error y la línea de O voltios. De este modo se obtendrá un ajuste fino del tiempo de acción integral en el potenciómetro, y un ajuste más amplio cambiando los valores de la resistencia R¡. En la figura 9.31 e puede verse el esquema correspondiente.

Tipo de señal Señal electrónico tipo escalón

Rango de funcionamiento

Fuente de alimentación de CD: ±15V

Como se enlaza en el circuito

La acción integral puede generarse en el amplificador operacional mediante un condensador conectado en serie con la línea de realimentación negativa y con una resistencia conectada en serie con el terminal inversor.

Ventajas La acción varía según la desviación de la salida y el tiempo durante el que esta desviación se mantiene.Disminuir y eliminar el error en estado estacionarioEl error es integradoElimina el error remanente que tenía el controlador proporcional.

Desventajas El problema principal del controlador integral radica en que la respuesta inicial es muy lenta, y hasta pasado un tiempo, el controlador no empieza a ser efectivo

aplicaciones La mayor parte de aplicaciones incluyendo el caudal

Símbolo

.

Control derivativo

La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error. El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set Point". 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 incrementeEl control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en minutos de anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso entre el movimiento de la válvula de control y su repercusión a la variable controlada.Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en el proceso. Cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable oscila demasiado con relación al punto de consigna. Suele ser poco utilizada debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las complicaciones que ello conlleva. El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la variable al punto de consigna con las mínimas oscilaciones

Partes del instrumento:

Terminal ATerminal de salidaAmplificador (C)Voltaje (Vo)Resistencia (R1,Rd)Condenasdor(Ci,Cd)Señal de error (PV-SP),Intensidades (id)

Funcionamiento Las ecuaciones correspondientes son:

Derivando la segunda ecuación resulta:

y sustituyendo en la primera se tiene

El ajuste de la acción derivativa se obtiene transformando la resistencia Rd en un potenciómetro. Cuando la señal de error cambia rápidamente (debido a una variación rápida del punto de consigna o bien de la variable o quizá provocado por señales con ruido) la señal de salida aumenta muy rápidamente tomando en el límite la forma de un pico. Este efecto es indeseable ya que puede perjudicar el control del proceso. Se soluciona este inconveniente eliminando la acción derivativa cuando el instrumento capta una variación rápida de la señal de error. Se conecta un condensador Cdy una resistencia R 1 en serie, en paralelo con la resistencia derivativa Rd (figura 9.32 b). De este modo, como la impedancia de el es inversamente proporcional a la variación de tensión que se le aplica, un cambio rápido de tensión hará que el condensador el presente una baja impedancia a través de la resistencia derivativa Rd , con lo cual el tiempo de acción derivativa será necesariamente bajo, modificándose el valor derivativo ajustado, pero sólo durante el instante de la variación rápida de la señal de error. Un interruptor conectado en paralelo con el condensador el permite, en la posición de conexión, eliminar la acción derivativa cuando así se desee.

Tipo de señal Señal electrónica discretoSeñal de error

Rango de funcionamiento

Fuente de alimentación de CD: ±15V

Como se enlaza en el

circuito

La acción derivativa puede conseguirse colocando un condensador Cd a la entrada inversora y una resistencia Rct en paralelo entre la salida y la entrada inversora.

Ventajas Mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produceEvita que el error se incremente

Desventajas Si el tiempo es muy grande existe inestabilidadCuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable oscila demasiado con relación al punto de consignación

aplicaciones Cuando es necesario una gran estabilidad en el offset mínimo y sin necesidad de acción integral

Símbolo

Control proporcional +

integral + derivativo (PID)

Aquellos en los que la señal de salida del sistema (variable controlada) tiene efecto directo sobre la acción de control (variable de control). El objetivo de los ajustes de los parámetros PID es lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo los efectos de las perturbaciones; se tiene que lograr la mínima integral de error. Si los parámetros del controlador PID (la ganancia del proporcional, integral y derivativo) se eligen incorrectamente, el proceso a controlar puede ser inestable, por ejemplo, que la salida de este varíe, con o sin oscilación, y está limitada solo por saturación o rotura mecánica. Ajustar un lazo de control significa ajustar los parámetros del sistema de control a los valores óptimos para la respuesta del sistema de control deseada. El comportamiento óptimo ante un cambio del proceso o cambio del "setpoint" varía dependiendo de la aplicación. Generalmente, se requiere estabilidad ante la respuesta dada por el controlador, y este no debe oscilar ante ninguna combinación de las condiciones del proceso y cambio de "setpoints"

Partes del instrumento:

Amplificador (C)Voltaje (Vo)MemoriaResistenciasCondensadoresVariableConsignaReóstatoModulo de acción potenciómetro

EntradasIntensidades

Funcionamiento:

En la figura 9.33 a puede verse un esquema simplificado del controlador.La ecuación correspondiente es:

En otros controladores, el potenciómetro de acción proporcional se encuentra en la salida del segundo amplificador operacional. Los controladores electrónicos suelen disponer además de un conmutador automático-manual con un reóstato para control manual y un circuito de memoria para que el cambio automático a manual se efectúe sin saltos. Estos accesorios se representan en la figura 9.33 b.Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita, al menos:Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, caudalímetro,manómetro, etc). Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia eléctrica, motor, válvula, bomba, etc). El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son con corriente continua

Tipo de señal Señal continúaSeñal discreta

Rango rango de 0 a 5 voltios de cd y la señal de entrada al proceso

pueda ser una señal de –12 a +12 voltios de cd, 4 amperios.Como se

enlaza en el circuito

El circuito simplificado consiste en un módulo proporcional + integral – donde se fija la ganancia o banda proporcional, se amplifica la desviación entre la variable y el punto de consigna, se fija el valor del punto de consigna y se selecciona la acción directa o la inversa del controlador - y un módulo de acción derivada modificada donde se encuentra el potenciómetro de acción derivada.

Ventajas Respuesta del sistema se hace relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de los parámetros del sistema

Mide el valor de la variable controlada (medida y transmisión).– Detecta el error y genera una acción de control (decisión).– Usa la acción de control para manipular alguna variable en el proceso de modo que tienda a reducir el error (manipulación)

Desventajas Aparece el problema de la estabilidad, ya que si el controlador no está bien ajustado puede tener tendencia a sobrecorregir errores, que pueden llegar a producir en la salida del sistema oscilaciones de amplitud creciente llegando a inestabilzar el sistema.

Aplicaciones Procesos con cambios rápidos y retardos apreciablesSímbolo

Sistema de control avanzado

nombre: control multivariable

aplicaciones ocurre en un reactor de polimerización, en un evaporador, o en una

columna de destilación

desventajas presentan dificultades de control. el número de variables a controlar se dificulta mientras más variables

tengaVentajas 1. modelizar el proceso con ecuaciones de estado, es decir, ecuaciones

diferenciales del proceso que se linealizan en número igual al de variables ligadas y aplicar métodos de optimización que hacen mínimo el índice de funcionamiento cuadrático.

2. modelización con control predictivo con algoritmo de control basado en la igualdad entre las respuestas en lazo cerrado y en lazo abierto (se igualan las matrices de función de transferencia en lazo cerrado y en lazo abierto). un programa de optimización determina los valores de los parámetros de ajuste del algoritmo de control.

información que recibe

Recibe información datos de operación y los datos económicos de funcionamiento y de acuerdo a esto determinan la forma lógica de operación.

ejemplo Una caldera de vapor compensa un circuito cerrado el sistema compensa en circuito cerrado las perturbaciones que se presentan en la operación de la caldera, para reducir el consumo de combustible. El sistema dispone de un elemento de simulación y optimización de la caldera que recibe todos los datos de operación y los datos económicos de funcionamiento, y determina la forma óptima para operar la caldera, calculando los puntos de consigna de los controladores. El sistema permite la operación online, es decir, el funcionamiento en tiempo real de la caldera, y off-line, es decir, un estudio del comportamiento del sistema ante ensayos de funcionamiento sin peligro para el control de la caldera.

esquema:

ejemplo de reactor

Los reactores se utilizan típicamente en plantas de polietileno y en procesos de polimerización. En las plantas de polietileno, se utilizan modelos matemáticos multivariables. Los sistemas de control avanzado predicen los productos que se fabrican y los controlan mediante la variación de los productos entrantes y permiten una transición suave de fabricación entre dichos productos. El sistema controla las propiedades del polietileno tales como el índice MI (melt index) o índice de caudal pi (flow index), y la densidad. Estas propiedades son una función de la concentración de hidrógeno, de etileno, de comonómero (propileno,...), de la reactividad del catalizador, de la temperatura, de las impurezas y de otros factores. Existe una diversidad de modelos según el proceso, que engloban todas las variables anteriores, las que influyen en la reacción.

imagen

nombre: control de relación

aplicaciones el control de relación es un sistema de control en el que una

variable de proceso es controlada con relación a otra variable.

ventajas el control de relación satisface una necesidad específica, el

control de la relación entre dos cantidades. estas cantidades suelen ser caudales de fluidos,

Desventajas no se puede utilizar en un proceso que requiera controlar mas de dos variables.

Características la señal del transmisor de caudal es multiplicada por un factor fijado manual o automáticamente. la señal de salida del multiplicador es el punto de consigna del controlador cuya señal

de salida actúa directamente sobre la válvula de control.

esquema:

Control todo-nada ó control en lazo abierto

El elemento final de control se mueve rápidamente entre una de dos posiciones fijas a la otra, para un valor único de la variable controlada.Este tipo de control se emplea usualmente con una banda diferencial o zona neutra en la que el elemento final de control permanece en su última posición para valores de la variable comprendidos dentro de la banda diferencial. Los ajustes de control se basan en variar el punto de consigna y la gama diferencial.

Partes del instrumento:

Funcionamiento: El control todo-nada funciona satisfactoriamente si el proceso tiene una velocidad de reacción lenta y posee un tiempo de retardo mínimo. Se caracteriza porque las dos posiciones extremas de la válvula permiten una entrada y salida de energía al proceso ligeramente superior e inferior respectivamente a las necesidades de la operación normal.

Rango de funcionamiento.

Es evidente que la variable controlada oscila continuamente y que estas oscilaciones variarán en frecuencia y magnitud si se presentan cambios de carga en el proceso. El control en lazo abierto suele aparecer en dispositivos con control secuencial, en el que no hay una regulación de variables sino que se realizan una serie de operaciones de una manera determinada. El nivel es de 4 a 20 mA c.c., un receptor controladorcon salida de 4-20 mA c.c., un convertidor intensidad-presión (IIP) que transforma la señal de 4-20 'mA c.c. a neumática de 3-15 psi y la válvula neumática de control; todos estos instrumentos se consideran de nivel, con frecuencia de 50…60 Hz.

Tipo de señal que emite: Señal ELECTRICA

Como se enlaza en un circuito:

Terminal de salida se conecta un circuito de excitación del relé final de control.

Una resistencia conectada en serie con el terminal no inversor del amplificador y con una resistencia conectada entre este último terminal y el de salida del amplificador.

Ventajas: Desactiva la señal de salida cuando la señal de entrada es mayor que la señal de referencia

tiene una resistencia conectada y a la salida hay amplificador.

Desventajas. La exactitud de la salida del sistema depende de la calibración del controlador.

Su realización implica sistemas excesivamente caros En presencia de perturbaciones estos sistemas de

control no cumplen su función adecuadamenteAplicación Control de nivel y temperatura en procesos de gran

capacidadSímbolo

Control flotante El control flotante, denominado realmente control flotante de velocidad constante, mueve el elemento final de control a una velocidad única independiente de la desviación. Por ejemplo, una regulación todo-nada puede convertirseen una regulación flotante si se utiliza una válvula motorizada reversible de baja velocidad (con un tiempo de recorrido de 1 minuto, o más, desde la posición abierta a la cerrada o viceversa).

Partes del instrumento:

Funcionamiento: El control flotante de velocidad constante con una zona neutra se obtiene al acoplar a un control todo-nada con una zona neutra una válvula motorizada reversible de baja velocidad. La válvula permanece inmóvil si la variable queda dentro de la zona neutra y cuando la rebasa, la válvula se mueve en la dirección adecuada hasta que la variable retorna al interior de la zona neutra, pudiendo incluso la válvula llegar a alcanzar sus posiciones extremas de apertura o de cierre.Tiende a producir oscilaciones en la variable controlada, pero estas oscilaciones pueden hacerse minimas eligiendo adecuadamente la velocidad del elemento final para que compense las características del proceso. Es evidente que la variable controlada oscila continuamente y que estas oscilaciones variarán en frecuencia y magnitud si se presentan cambios de carga en el proceso. El control en lazo abierto suele aparecer en dispositivos con control secuencial, en el que no hay una regulación de variables sino que se realizan una serie de operaciones de una manera determinada.

Rango de funcionamiento.

A manera de ejemplo se usa una valvula correspondiente a un rango de acción que provee un elemento de control con una temperatura de 36° a 93°C, donde el punto fijo es de 65° para una banda de control de +- 10°C.

Tipo de señal que emite: Señal eléctrica

Como se enlaza en un circuito:

La válvula debe moverse a una velocidad lo suficientemente rápida para mantener la variable ante los más rápidos cambios de carga que puedan producirse en el proceso. Una resistencia conectada en serie con el terminal no inversor del amplificador y con una resistencia conectada entre este último terminal y el de salida del amplificador.

Flotador

Nivel del líquido

Ventajas: La ventaja principal del control flotante es que puede compensar los cambios de carga lentos del proceso desplazando gradualmente la posición de la válvula.

Están diseñados con bandas proporcionales ajustables, mientras mayor sea la banda proporcional, es mas pequeño en el cambio en la posición de la válvula para cualquier alteración dada en el valor controlado.

Desventajas. si los cambios de carga son muy lentos no es adecuado si hay un retardo importante o si los cambios de carga, aunque sean pequeños, son muy rápidos.

El control proporcional no puede cambiar la posición de la valvula.

Aplicación la válvula debe moverse a una velocidad lo suficientemente rápida para mantener la variable ante los más rápidos cambios de carga que puedan producirse en el proceso.

Símbolo

Control proporcional de tiempo variable

En este sistema de regulación existe una relación predeterminada entre el valor de la variable controlada y la posición media en tiempo del elemento final de control de dos posiciones. Es decir, la relación del tiempo de conexión al de desconexión final es proporcional al valor de la variable controlada.

Partes del instrumento:

Funcionamiento: En este sistema de regulación existe una relación predeterminada entre el valor de la variable controlada y la posición media en tiempo del elemento final de control de dos posiciones. Es decir, la relación del tiempo de conexión al de desconexión final es proporcional al valor de la variable controlada. La longitud de un ciclo completo (conexión + desconexión) es constante pero la relación entre los tiempos de conexión a desconexión dentro de cada ciclo varía al desviarse la variable controlada del punto de consigna.

Rango de funcionamiento.

Este controlador tiene un ciclo completo de 10 segundos y una banda proporcional de 20° C. En el punto de consigna el controlador conecta el elemento final durante 5 segundos y 10 desconecta 5 segundos y así sucesivamente. Si la temperatura disminuye 10° C el elemento final está siempre conectado. A 5° C por encima del punto de consigna el elemento final está conectado sólo 2,5 segundos, desconecta durante 7,5 segundos, y así sucesivamente.

Tipo de señal que emite: Señal electrica

Como se enlaza en un circuito:

En el punto de consigna el controlador conecta el elemento final durante 5 segundos y 10 desconecta 5 segundos y así sucesivamente. Si la temperatura disminuye 10° C el elemento final está siempre conectado. A 5° C por encima del punto de consigna el elemento final está conectado sólo 2,5 segundos, desconecta durante 7,5 segundos.

Ventajas: Este tipo de control se emplea sólo en controladores eléctricos. Un caso típico de aplicación lo· constituye la regulación de temperatura de un horno eléctrico en que el elemento final es una resistencia o un conjunto de resistencias de calefacción.

Desventajas.

Aplicación este sistema de regulación existe una relación predeterminada entre el valor de la variable controlada y la posición media en tiempo del elemento final de control de dos posiciones. Es decir, la relación del tiempo de conexión al de desconexión final es proporcional al valor de la variable controlada.

Símbolo

Control proporcional En el sistema de posición proporcional, existe una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada

y la posición del elemento final de control (dentro de la banda proporcional). Es decir, la válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación.

Partes del instrumento:

Funcionamiento: La ganancia del controlador proporcional es, pues, la relación entre la variación en la señal de salida y el error que la produce (diferencia entre la variable y el punto de consigna). El término ganancia se utiliza en el control digital.Muchos controladores neumáticos y electrónicos emplean en lugar de ganancia la denominada banda proporcional que es la inversa de la ganancia

Rango de funcionamiento.

Actúa un controlador proporcional cuyo punto de consigna es 150° C y cuyo intervalo de actuación es de 100-200° C. Cuando la variable controlada está en 100° C o menos la válvula está totalmente abierta; a 2000 C o más está totalmente cerrada y entre 100 y 200° C la posición de la válvula es proporcional al valor de la variable controlada.

Tipo de señal que emite: Señal electrica

Como se enlaza en un circuito:

En los regímenes de carga, temperatura y la posición de la válvula de control para el intercambiador de calor. Al cabo de un tiempo se presenta un cambio de carga, originado, por ejemplo, por un aumento en el consumo de agua caliente, por apertura simultánea de mayor número de válvulas de consumo.

Ventajas: La desviación de temperaturas puede eliminarse reajustando manualmente el punto de consigna.Hay que hacer notar que el control proporcional es un sistema de estabilización potente, capaz de ajuste y aplicación amplísima,

Desventajas. tiene la característica indeseable del error de offset, indeseable del control proporcional

Aplicación cuando necesitamos controlar una variable y el sistema contenga valvulas abiertas o cerradas la posición de la válvula es proporcional al valor de la variable controlada.

Control proporcional + integral

En el control integral, el elemento final se mueve de acuerdo con una función integral en el tiempo de la variable controlada.

Partes del instrumento:

Funcionamiento: un controlador neumático típico proporcional más integral. Se observará que se diferencia con relación al controlador proporcional y la adición de un segundo fuelle dotado de una restricción variable que realimenta positivamente la señal de salida.Controlador proporcional + integral. La combinación de la restricción R¡ con la capacidad del fuelle da lugar a una función de retardo con una constante de tiempo 't'.Cuando existe una pequeña diferencia de presiones (P - P') entre la entrada y el interior del fuelle, el caudal Q que pasa a través de la restricción capilar R corresponde a un régimen laminar, por lo cual existe la relación P-P'=R'Q siendo R la resistencia de la restricción.

Rango de funcionamiento.

Este caudal introduce en el fuelle una cantidad de aire Qdt por unidad de tiempo dt, dando lugar a una variación de presión dP'. El sistema se comporta como un condensador eléctrico de capacidad C que se cargará con una intensidad Q ante una diferencia de tensiones dP. y como en electricidad la combinación de una resistencia R y una capacidad C introduce una constante de tiempo 't resulta:

y si en esta ecuación se introducen valores instantáneos se obtiene:

Tipo de señal que emite: Señal electrica

Como se enlaza en un circuito:

un controlador neumático típico proporcional más integral. Se observará que se diferencia con relación al controlador proporcional en la adición de un segundo fuelle dotado de una restricción variable que realimenta positivamente la señal de salida.

Ventajas: Un error E, la señal de salida Po experimenta un salto inicialigual a la acción proporcional y a continuación sigue una

variación gradual de presión a una velocidad proporcional al error y al grado de abertura de la restricción Ri.Del mismo modo que la acción proporcional se definía por la banda proporcional o la ganancia, la acción integral viene definida por el denominado «tiempo de acción integral», que es el intervalo de tiempo en que, ante una señal de entrada en escalón, la parte de la señal de salida debida a la acción integral iguala a la parte debida a la acción proporcional.

La comprobación de la acción integral se lleva a cabo con el instrumento en bucle abierto, aplicando escalones sucesivos en la entrada y registrando las señales de salida que el controlador envía a la válvula de control.

Desventajas.Aplicación Al integrar dos miembros a la ecuación que da la señal

de salida del controlador en función de dos términos, el primero de acción proporcional y el segundo de acción integral del error.

se acostumbra a expresar la acción integral en «repeticiones por minuto» que es el número de veces por minuto con que se repite la acción proporcional y que es el recíproco matemático de minutos por repetición. La comprobación de la acción integral se lleva a cabo con el instrumento en bucle abierto, aplicando escalones sucesivos en la entrada y registrando las señales de salida que el controlador envía a la válvula de control.

Símbolo

Control proporcional + derivado

En la regulación derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad de variación de la variable controlada y la

posición del elemento final de control.Es decir, el movimiento de la válvula es proporcional a la velocidad de cambio de la variable, por ejemplo, la temperatura, cuanto más rápidamente varíe ésta; tanto más se moverá la válvula.

Partes del instrumento:

Funcionamiento: Ante un error E entre la variable y el punto de consigna, la realimentación del fuelle proporcional da lugar a un desplazamiento a nivel de la tobera, en la acción integral, el fuelle proporcional secaracterizará por su capacidad y su resistencia Rd que dan lugar a una constante de tiempo "Td”

Rango de funcionamiento.

Dependerá del proceso y fuelle y otros con los que se este en operación.

Tipo de señal que emite:

Señal electrica

Como se enlaza en un circuito:

Ventajas: El factor a señalar en la acción derivada es que al oponerse ésta a todas las variaciones, posee un gran efecto de estabilización, si bien no elimina el offset característico del sistema de posición proporcional. Por este motivo la regulación derivada, suele emplearse conjuntamente con la integral.

Desventajas.

Aplicación El factor a señalar en la acción derivada es que al oponerse ésta a todas las variaciones, posee un gran efecto de estabilización, si bien no elimina el offset característico del sistema de posición proporcional. Por este motivo la regulación derivada, suele emplearse conjuntamente con la integral.

Símbolo

Control proporcional +

integral + derivado

Un controlador PID neumático dispone de dos fuelles (proporcional de realimentación negativa e integral con realimentación positiva) y dos restricciones (integral y derivada).

Partes del instrumento:

Funcionamiento: En el controlador PID denominado simétrico, llamemos dei los desplazamientos a nivel de la tobera de los fuelles de la derecha con realimentación positiva (integral) y de la izquierda con realimentación negativa (proporcional) de la figura.

Rango de funcionamiento.

Tipo de señal que emite: Señal continúa

Señal discreta, analogica.Como se enlaza en un circuito:

Con circuitos electrónicos e instrumentos PID incorporados usualmente a una banda derivativa modificada para evitar saltos en la señal de salida ante un cambio brusco en el error.

Ventajas: Que se utilizan circuitos de electrónica que suelen ser programados de forma automática.

Desventajas. En electrónica sí es posible construir un instrumento PID sin interacción entre las bandas.

Como es lógico, los instrumentos PID estudiados incorporan usualmente una banda derivada modificada para evitar saltos en la señal de salida ante un cambio brusco en el error.

Aplicación El controlador PID simétrico existe interacción entre los ajustes de las acciones PID, es decir, que un cambio en el ajuste de una acción influirá en las otras siendo, pues, relativamente laborioso conseguir un ajuste óptimo para que el controlador ante una perturbación lleve rápidamente y con el mínimo de oscilaciones la variable controlada a su punto de consigna.

Símbolo