Definiciones Fundamentales en Control de Procesos

Control de Proceso

Controla variables físicas clave como Presión (P), Temperatura (T) y Caudal.

Sistema de Control

Conjunto de elementos diseñados para asegurar que un proceso se mantenga fiel al programa o punto de ajuste establecido.

Señal

Magnitud física variable que puede ser representada mediante una señal eléctrica.

Tipos de Señales

• Analógica: Variación continua en el tiempo (número infinito de valores).
• Digital: Variación discreta de valores en el tiempo (número finito de valores).
• Digital Binaria: Solo dos valores posibles (1 y 0).

Estructura y Modelado de Sistemas

Concepto de Sistemas

Combinación de componentes que interactúan para cumplir un objetivo común. Ejemplo: Una nevera (heladera).

Estructura Básica del Sistema

Entradas (u) → Sistema → Salida (y)

Modelo de Sistema

Representación que ayuda a entender el funcionamiento de un sistema (e.g., placa electrónica, modelo matemático).

Función de Transferencia

Cociente entre la salida (Y) y la entrada (U) en el dominio de Laplace, representada como la Señal G(s).

Tipos de Control y Lazos

Tipos de Control por Intervención

• Manual: El operador aplica las correcciones necesarias.
• Automático (Cableado): La corrección se realiza sin intervención del operador y está implementada mediante hardware fijo.
• Programado: Solución implementada por software, lo que permite su modificación.

Lazo Abierto (Control sin Retroalimentación)

Ninguna variable de salida tiene efecto sobre la acción de control. No hay realimentación. Cualquier perturbación desestabiliza el sistema sin que este pueda responder o corregir.

Lazo Cerrado (Control con Retroalimentación)

Las variables de salida afectan la acción de control. Hay realimentación. Las variaciones son medidas y el controlador modifica la señal de control para compensar el error.

Componentes de los Sistemas de Control y Medida

Elementos de un Sistema de Control

Controlador → Variables de Actuación → Proceso

Elementos de un Sistema de Medida

Sensor Primario

Mide el valor de la Variable de Proceso (PV) y genera una salida proporcional, utilizando poca energía para evitar introducir errores en el sistema.

Transductor

Transforma la magnitud medida por el sensor en una señal eléctrica utilizable.

Transmisor

Convierte, acondiciona y normaliza la señal para que pueda ser procesada por el controlador.

Clasificación de Sensores

Por Principio Físico

• Resistivo
• Capacitivo
• Inductivo
• Piezoresistivo
• Fotovoltaico
• Electromagnético
• Termomagnético
• Piezoeléctrico

Por Tipo de Salida

• Eléctrica: Activos o Pasivos.
• Mecánica.

Por Magnitud a Medir

• Temperatura (Temp)
• Presión (P)
• Caudal
• Velocidad (Vel)
• Posición

Elementos Finales de Control: Actuadores

Actuadores Eléctricos

• Relés
• Solenoides
• Motores de corriente continua (CC) y alterna (CA)
• Motores paso a paso

Actuadores Hidráulicos o Neumáticos

• Válvulas neumáticas
• Válvulas de solenoides
• Cilindros y válvulas piloto
• Motores

Estrategias y Sistemas de Control Modernos

Control Clásico (Reguladores)

• Control de dos posiciones (Todo o Nada)
• Proporcional de tiempo variable (PWM)
• Proporcional (P)
• Proporcional + Integral (PI)
• Proporcional + Derivado (PD)
• Proporcional + Integral + Derivado (PID)

Otros Sistemas Avanzados

• Control en Cascada
• Control con Aprendizaje
• Control por Lógica Difusa
• Control Digital Directo (DDC)
• Control Supervisor (SPC y SCADA)
• Control Distribuido (SCD)
• Control Jerarquizado

Detalle de Controles Clásicos

Control Clásico: Dos Posiciones (Todo o Nada)

Es el modo más elemental. Ejemplo: Horno eléctrico. Consiste en activar el mando de calentamiento cuando la temperatura está por debajo del Punto de Consigna (SP) y desactivarlo cuando la temperatura está por encima. Genera una señal binaria (ON/OFF).

Control PWM (Modulación por Ancho de Pulso)

Permite controlar la temperatura con menor variación al entregar una potencia gradual. El control proporciona una potencia que varía proporcionalmente al error. Ejemplo: Si se requieren 250W de 1000W (25%), bastaría con mantener el actuador activado 1 segundo y desactivado 3 segundos (ciclo de 4 segundos).

Diferencia entre Todo o Nada (TN) y PWM

En el control Todo o Nada, no se puede manejar el ancho del ciclo de trabajo, solo tiene frecuencia fija. En el control PWM, aunque la frecuencia es fija, se puede modular el ancho del ciclo de trabajo para variar la potencia efectiva.

Control Proporcional (P)

Entrega una potencia de control que varía proporcionalmente al error. Factores clave: Temperatura deseada (SP) y la Banda Proporcional (Pb), que define la tolerancia alrededor del SP.

Control Proporcional-Derivativo (PD)

Incorpora la Acción Derivativa (D), que considera la velocidad de cambio de la variable. Esto permite «adelantar» la acción de control de salida para lograr una temperatura más estable. Si la temperatura está por debajo del SP, pero sube rápidamente (riesgo de sobrepasar el SP), el control se adelanta y disminuye la potencia de salida.

Control Proporcional-Integral (PI)

Combina la acción Proporcional con la Acción Integral (I). Corrige el error tomando en cuenta tanto su magnitud como el tiempo que ha persistido. Se programa una constante I, que representa la cantidad de veces que se aumenta la acción proporcional por segundo para eliminar el error estacionario.

Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

El desafío principal es la sintonización: elegir los valores óptimos de los parámetros Pb (Banda Proporcional), D (Derivativo) e I (Integral) que deben introducirse en el controlador PID.

Controles Avanzados Específicos

Control con Aprendizaje

Sistemas expertos cuyo fin es aprender del operador y de sus decisiones ante diversas circunstancias. Ejemplo: Una caldera con sensores que estudia las reacciones del operario para optimizar su funcionamiento.

Control por Lógica Difusa (Fuzzy Logic)

Permite incorporar pensamientos y razonamientos humanos (basados en reglas lingüísticas) al control automático. Ejemplo: Relacionar la temperatura de una pieza con la velocidad de un ventilador.

Control Supervisor (SPC y SCADA)

Sistemas de control y adquisición de datos que son supervisados por una computadora central.