Diagrama y Nomenclatura del sistema de lazo cerrado En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques general más detallado, el cual describe de forma adecuada a la mayoría de los sistemas de lazo cerrado. Figura 1. Diagrama de bloques clásico de un sistema de lazo cerrado. Presenta los nombres de los principales componentes (bloques) de un sistema de lazo cerrado. También presenta los nombres de las señales que viajan entre los distintos bloques Las ideas incorporadas en este diagrama de bloques de sistema general son las siguientes: una cierta variable de proceso que se controla (temperatura, presión, caudal de flujo de un fluido, concentración química, humedad. Viscosidad, posición mecánica, velocidad mecánica, etcétera) se mide y alimenta a una computadora. El comparador, que puede ser mecánico, eléctrico o neumático, realiza una comparación entre el valor medido de la variable y el punto de ajuste que representa el valor deseado de la variable. Luego el comparador genera una señal de error que representa la diferencia entre el valor medido y el valor deseado. La señal de error se considera equivalente al valor medido menos el valor deseado, de forma que si el valor medido es demasiado grande, la señal de error será positiva, y si el valor medido es demasiado pequeño, la señal de error será de polaridad negativa. Esto se expresa en la ecuación Error = valor medido - punto de ajuste 1
El controlador, que también puede ser eléctrico, mecánico o neumático, recibe la señal de error y genera una señal de salida. La relación entre la señal de salida del controlador y la señal de error depende del diseño y ajuste del controlador y es un tema detallado en sí mismo. Todos los controladores de lazo cerrado pueden clasificarse en cinco clases o modos de control. Dentro de los modos, existen ciertas variaciones, pero estas variaciones no constituyen una diferencia de control esencial. El modo de control no tiene nada que ver con el hecho de que el controlador sea eléctrico, mecánico o neumático; sólo depende de lo drástico y de la forma como reacciona el control ante una señal de error. De manera más precisa, depende de la relación matemática entre la salida del control y su entrada (su entrada es la señal de error). Figura 1. Diagrama de bloques clásico de un sistema de lazo cerrado. Presenta los nombres de los principales componentes (bloques) de un sistema de lazo cerrado. También presenta los nombres de las señales que viajan entre los distintos bloques La figura 1, muestra que la salida del controlador se alimenta a un dispositivo de corrección final; puede ser necesaria una amplificación si la señal de salida del controlador no es lo suficientemente fuerte para operar el dispositivo de corrección final. El dispositivo de corrección final con frecuencia es un motor eléctrico, que puede utilizarse para abrir o cerrar una válvula, desplazar algún objeto mecánico en una 2
dirección u otra, o cualquier función similar. El dispositivo de corrección final también puede ser una válvula de solenoide o una válvula o amortiguador accionado de forma neumática, o un SCR o triac para controlar la potencia de carga en todo el sistema eléctrico. 2 hp. Un ejemplo de la necesidad de amplificación sería una situación en la que la salida de controlador fuera una señal de bajo voltaje y baja corriente (como la obtenida de un puente dc Wheatstone) y el dispositivo de corrección final fuera un motor de Obviamente, la señal de baja potencia proveniente del puente de Wheatstone no podría accionar un motor de 2 hp de forma directa, de forma que se insertaría un amplificador eléctrico de potencia entre ellos. El dispositivo de medición de la figura 1, podría ser un termopar, un calibrador de presión, un tacómetro, o cualquiera de los numerosos dispositivos que pueden realizar mediciones en una variable. Con frecuencia el dispositivo de medición presenta una señal de salida eléctrica (generalmente un voltaje) incluso aunque no midan una cantidad eléctrica. Los dispositivos de medición que realizan esto se denominan transductores. Nomenclatura utilizada en los sistemas de lazo cerrado Desafortunadamente, los términos utilizados para describir lo que sucede dentro de un sistema de control de lazo cerrado no son universalmente aceptados. Ahora veremos las distintas palabras y frases que se utilizan y decidiremos cuales utilizaremos. 3
Comenzando a partir de la parte izquierda de la figura 1, el término punto de ajuste también se denomina como "valor de ajuste", "configuración", "valor deseado", "valor ideal, mando" y "señal de referencia". Nosotros utilizaremos el término punto de ajuste. El comparador también se denomina "detector de error", "detector de diferencias", etcétera. Utilizaremos el término comparador. La señal de error también recibe los nombres de "señal de diferencia". "desviación "desviación del sistema". Utilizaremos el término señal de error. La señal de salida del controlador en ocasiones se denomina como "valor de control (VC)," especialmente cuando es generada por un cálculo digital desarrollado por un controlador lógico programable (PLC). El dispositivo de corrección final también se denomina como "elemento de corrección, "elemento de motor". Utilizaremos dispositivo de corrección final. La variable controlada en ocasiones se denomina la "condición controlada", "variable salida", "condición de salida", etcétera. Utilizaremos variable controlada. El dispositivo de medición también se denomina como e1 "dispositivo de detección, "sensor", o "transductor". Utilizaremos el término dispositivo de medición en la mayoría de casos, sin embargo, cuando queramos enfatizar la capacidad del dispositivo de medición convertir una señal no eléctrica a una señal eléctrica, utilizaremos transductor. El valor medido en ocasiones se denomina como "valor real" o "variable del proceso (VP)". Utilizaremos el término valor medido excepto cuando hagamos 4
referencia a la medición de la señal de entrada de un controlador lógico programable que realiza un cálculo digital de la señal de salida del controlador. Entonces utilizaremos VP. Características de un buen sistema de lazo cerrado Puede parecer obvio que la medida de un "buen" sistema de control de lazo cerrado sea la capacidad de llevar el valor medido de forma cercara al punto de ajuste. En otras palabras, un buen sistema reduce la señal de error a cero, o prácticamente a cero. La diferencia final entre el valor medido y el punto de ajuste que permite el sistema (que no puede corregir) generalmente se denomina offset. Por ello, un buen sistema presenta un bajo offset. Ahora estaremos utilizando la palabra desvío, offset, con un significado distinto que cuando se aplica a los amplificadores operacionales. Existen otras características de los sistemas de lazo cerrado que también son importantes, en algunos casos incluso más importantes que contar con un bajo offset. Uno de ellos es la velocidad de respuesta. Si se presentan condiciones que llevan al valor medido fuera de conciliación con el punto de ajuste, un buen sistema restaurará el desfase rápidamente. Mientras más rápida sea la restauración, mejor será el sistema. Es posible diseñar sistemas que tengan bajo offset y rápida velocidad de respuesta, pero en ocasiones tienden a ser inestables, lo que significa que el sistema ocasiona grandes y violentas variaciones en el valor de la variable controlada ya que "persigue" de manera frenética la salida adecuada del controlador. Esto ocurre porque el sistema sobre reacciona ante un error, ocasionando de este modo un error aún mayor en la dirección opuesta. Luego intenta corregir el error opuesto y nuevamente sobre reacciona hacia la otra dirección. Cuando esto sucede, se dice que el sistema se encuentra oscilando. Eventualmente las oscilaciones por lo general se extinguen y el sistema se estabiliza en un el valor correcto de la variable controlada. Sin embargo, en el periodo intermedio el proceso se encontró efectivamente fuera de control pueden presentarse consecuencias adversas. 5
En ciertos casos las oscilaciones pueden no extinguirse, continúan creciendo cada vez más hasta que el proceso esté permanentemente fuera de control. Si el sistema de control es un sistema de posicionamiento mecánico (un servomecanismo), estas oscilaciones pueden ocasionar que el mecanismo se agite a sí mismo y se destruya. Como puede observarse, por todo esto, un buen sistema de control sería estable. Mientras menos violentas sean las oscilaciones en la variable de control, más estable será y mejor será el sistema. 6