PDF de programación - Sistemas de control automático - El ABC de la automatización

EL ABC DE LA AUTOMATIZACION

SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO; por Patricio Abarca

El control automático de procesos es una de las disciplinas que se ha

desarrollado a una velocidad vertiginosa, dando las bases a lo que hoy algunos
autores llaman la segunda revolución industrial. El uso intensivo de las técnicas
del control automático de procesos tiene como origen la evolución y tecnificación
de las tecnologías de medición y control aplicadas al ambiente industrial.

Su estudio y aplicación ha contribuido al reconocimiento universal de sus

ventajas y beneficios asociados al ámbito industrial, que es donde tiene una de
sus mayores aplicaciones debido a la necesidad de controlar un gran número de
variables, sumado esto a la creciente complejidad de los sistem
as. El control
automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo
asociado a la generación de bienes y servicios, incrementa la calidad y
volúmenes de producción de una planta industrial entre otros beneficios asociados
con su aplicación.

La eliminación de errores y un aumento en la seguridad de los procesos es
otra contribución del uso y aplicación de esta técnica de control. En este punto es
importante destacar que anterior a la aplicación masiva de las técnicas de control
automático en la industria, era el hombre el que aplicaba sus capacidades de
cálculo e incluso su fuerza física para la ejecución del control de un proceso o
máquina asociada a la producción. En la actualidad, gracias al desarrollo y
aplicación de las técnicas mo
cálculos asociados a la manipulación de las variables ha sido delegado a
computadoras, controladores y accionamientos especializados para el logro de los
requerimientos del sistema.

dernas de control, un gran número de tareas y

El principio de todo sistem a de control automático es la aplicación del
concepto de realimentación o feedback (medición tomada desde el proceso que
entrega información del estado actual de la variable que se desea controlar) cuya
característica especial es la de mantener al controla
dor central informado del
estado de las variables para generar acciones correctivas cuando así sea
necesario. Este mismo principio se aplica en campos tan diversos como el control
de procesos químicos, control de hornos en la fabricación del acero, contro
l de
máquinas herramientas, control de variables a nivel médico e incluso en el control
de trayectoria de un proyectil militar.



El uso de las computadoras digitales ha posibilitado la aplicación en forma
óptima del control automático a sistemas físicos que hace algunos años atrás eran
imposibles de analizar o controlar. Uno de estos
avances esta dado por la
aplicación de las técnicas de control difuso, aplicaciones con redes neuronales,
simulación de sistemas de control y sistemas expertos entre otros.



Es de vital importancia la aplicación del denominado control adaptativo cuya
principal característica es su capacidad de modificar los parámetros del sistema de
control en respuesta a cambios en la dinámica y/o perturbaciones del sistema.
Esta fue la principal razón para introducir este tipo de reguladores, es decir, los
cambios internos que puede sufrir la dinámica de la planta a controlar por factores
ambientales u otros inherentes a los sistemas como el envejecimiento, desgaste y
los cambios en el entorno del conjunto regulador
-planta, como por ejemplo,
cambios en la presión y t emperatura entre otros. Uno de los primeros campos
donde se introdujo esta técnica de control fue en los pilotos automáticos de vuelo,
donde las condiciones atmosféricas y las propias del vehículo, como el peso y la
velocidad, pueden cambiar radicalmente.

En este punto es importante plantear la pregunta sobre qué es el control

automático, siendo la respuesta a esta inquietud la siguiente:

“El control automático es el mantenimiento de un valor deseado para una

cantidad o condición física, midiendo su val or actual, comparándolo con el valor
referencia, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla mediante una acción
correctiva. En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción
y reacción que funcione sin intervención humana”.



El elemento más importante de cualquier sistema de control automático es

el la zo de control realimentado, que no es más que una trayectoria cerrada
formada por un sensor, un controlador y un elemento final de control. El concepto
de control por
realimentación fue usado en 1774 p or James Watt para el control de la velocidad
de una máquina de vapor.

realimentación no es nuevo, el primer lazo de control



meros sistemas de transmisión neumática

A pesar de que los principios de funcionamiento del lazo de control ya eran
conocidos, las técnicas de control y análisis de estabilidad se desarrollaron
lentamente hasta que los pri
comenzaron a volverse comunes en los años 40. Desde esta fecha en adelante se
marca un hito debido a la necesidad de contar con herramientas de análisis y
nuevas tecnologías aplicadas a los equipos de control, necesa
implementación de sistemas más seguros, robustos y estables.

Dentro de los aportes más importantes tenemos los trabajos desarrollados por
Minorsky y Hazen. En el trabajo de Minorsky "Directional Stability of Automatic
Steered Bodies" de 192 2, se reconoce la no -linealidad de los sistemas y aplica la
a sistemas no -lineales
linealización mediante el desarrollo en serie de Taylor
correspondientes al movimiento angular de un buque. Estudia además la
estabilidad y los efectos de los retrasos de la información sobre las salidas de los
Sistemas. Hazen, en su publicación "Theory of Servomechanism" (1934), analiza
el funcionamiento de los servomecanismos utilizando en su análisis entradas
típicas de escalón y rampa. Aparte de proponer un marco conceptu
utiliza herramientas matemáticas como el cálculo operacional de Heaviside. En
sus trabajos estudia el diseño de servomecanismos para posicionar ejes.
El estudio de los servomecanismos y los reguladores en el dominio

rios para la

al, Hazen

frecuencial se realiza al obtenerse resultados sobre el diseño de amplificadores de
señal realimentados. Destacan los trabajos de Nyquist (1932), BLACK (1934) y
Bode (1940).

El suceso que realmente marca un hito en el desarrollo de los métodos de
respuesta en frecuencia es la aparició n de trabajo clásico de Nyquist sobre la
estabilidad de amplificadores realimentados. Nyquist presenta en este trabajo
"Regeneration Theory", su celebre criterio de estabilidad.

En 1942 Ziegler y Nichols, ingenieros de Taylor Instruments hicieron un

estudio importante que condujo a fórmulas empíricas para sintonizar el regulador
PID al proceso. Este estudio " Optimum Settings for Automatic Controllers" fue
presentado en el "ASME Winter Anual Meeting". Los coeficientes de las distintas
acciones proporcional , integral y derivada, se podían determinar de valores
medidos experimentalmente del proceso que se deseaba controlar. La importancia
de estas reglas de ajuste óptimo de controladores es enorme, siguen siendo
vigentes y ampliamente usadas en el ámbito del control de procesos industriales.
El trabajo de Ziegler y Nichols es pionero en el desarrollo de la idea de control
óptimo, aunque su criterio de optimización, que consiste en minimizar la superficie
de error absoluto, no se puede tratar analíticamente.