1.4. Conceptos generales#
Dinámica: Comportamiento de un proceso dependiente del tiempo. En la teoría del control se estudia básicamente la dinámica de dos tipos de sistema:
Sistema de lazo abierto: Respuesta del sistema sin controladores o con un control en adelanto (feedforward).
Sistema de lazo cerrado: Comportamiento del sistema incluido un control por retroalimentación (feedback).
Variables: A continuación se definen los diferentes tipos de variables implicados en la dinámica y control de sistemas:
Variables manipulables: Elementos del proceso que se pueden modificar para controlar la planta. Normalmente se trata de caudales.
Variables controladas: Parámetros de proceso –caudales, niveles, temperaturas, presiones, etc.– que se quieren controlar, ya sea para mantenerlos constantes o para seguir una cierta evolución con el tiempo.
Variables no controladas: Variables del proceso que no son controladas aunque pueden ser medidas.
Perturbaciones: Entradas al proceso que no pueden ser controladas pero que deben tener un valor fijo en el proceso.
Consigna (Set point): Es el valor deseado de la variable a controlar. Puede ser constante o variar con el tiempo.
Control en adelanto (Feedforward): Se trata de un sistema de control de lazo abierto. Se detecta la perturbación cuando entra en el proceso y se realiza el cambio necesario en las variables manipulables para que la variable controlada se mantenga constante.
Para este sistema es necesaria una calibración del sistema de control. Es importante resaltar que no se mide en ningún momento la variable controlada.
Control por retroalimentación (Feedback): Se mide la variable controlada a la salida del proceso y se compara con la consigna (el valor deseado de la variable controlada). La diferencia (error) se alimenta al controlador por retroalimentación que modifica la variable manipulable.
Table 1.1 Comparativa de los controladores en adelanto y los controladores por retroalimentación.# Feedforward
Feedback
Ventajas
1. Actúa antes de que la perturbación sea introducida en el sistema.
1. No inicia la acción de control hasta que aparece la perturbación.
2. Bueno para sistemas lentos (multicapacidad) o con tiempos muertos significativos.
2. Es insatisfactorio para procesos lentos con tiempos muertos significativos.
3. No introduce inestabilidad debida a la respuesta de ciclo cerrado.
3. La respuesta de bucle cerrado puede crear inestabilidad.
4. Requiere un buen conocimiento del modelo del proceso.
4. No es necesario el conocimiento del modelo del proceso.
5. No requiere la identificación y medida de todas las perturbaciones.
5. Requiere la identificación de las posibles perturbaciones y su medida directa.
6. Es insensible a los errores de modelado.
6. No puede operar con perturbaciones no medibles.
6. Es insensible a los cambios de parámetros.
6. Sensible a las variaciones de los parámetros del proceso.
Estabilidad: Un proceso es inestable si su salida se va haciendo mayor (positiva o negativamente) con el tiempo.
La mayoría de los sistemas de lazo abierto son estables. Todos los sistemas de lazo cerrado son inestables si la ganancia del controlador se hace los suficientemente grande. Normalmente el rendimiento del controlador aumenta con la ganancia, pero disminuye su tolerancia a los cambios de parámetros del proceso.
Control analógico: En este caso los datos son medidos de manera continua en el tiempo.
Control digital: Se da cuando los datos son medidos de manera discreta ya sea debido a la utilización de computadores digitales o debido a métodos de medida muy lentos en comparación con la dinámica del proceso. P.ej., análisis mediante cromatografía.
Leyes del Control de Procesos:
Primera ley: El sistema de control más simple es el que mejor funcionará.
Segunda ley: Se debe entender el proceso antes de intentar controlarlo.
Elementos físicos de un sistema de control:
Instrumentos de medida o sensores: Son los elementos de control encargados de medir las perturbaciones, las variables controladas, etc. Son las principales fuentes de información de cómo va el proceso. Un elemento crucial para la selección de un sensor es su capacidad de transmitir información fácilmente. P.ej., es preferible un termopar a un termómetro de mercurio.
Transductores: Elementos del sistema de control que convierten magnitudes físicas que no pueden ser utilizadas para el control en otras que sí lo pueden ser (una corriente eléctrica o una señal neumática, p.ej.). P.ej., convertir una señal de presión en una señal eléctrica.
Lineas de transmisión: Llevan la señal desde el sensor al controlador y del controlador al elemento final de control. La transmisión acostumbra a ser eléctrica o neumática. Frecuentemente se debe amplificar la señal del sensor antes de transmitirla.
Controlador: Recibe las señales de los sensores y decide la acción que se debe tomar.
Elemento final de control: Es el dispositivo físico que lleva a cabo la decisión del controlador. Típicamente es una válvula aunque también puede ser una bomba de velocidad variable, una compuerta, …
Registradores: Proveen de un soporte visual y registro histórico del funcionamiento del sistema.