Conceptos clave en sistemas de control de lazo cerrado y abierto

Lazo cerrado

Una vez instalado un regulador de realimentación, este se pone en modo de operación automático. De esta forma se configura un lazo cerrado, caracterizado por el hecho de que la salida del controlador afecta a la medida de la variable controlada y viceversa. Dicho lazo posibilita la realimentación.

Lazo abierto

Se dice que un lazo está abierto cuando no existe el efecto recíproco entre la salida del controlador y la medida de la variable controlada; no hay interacción. En tales circunstancias no existe el mecanismo de realimentación.

Causas que originan la apertura de un lazo cerrado

• Puesta del regulador en modo de operación manual: esto hace que el lazo quede roto.
• Fallo del sensor o del transmisor: los datos recibidos por el controlador son erróneos.
• Saturación de la salida del controlador al 0% o 100% de la escala: el controlador no puede influir sobre el proceso. Llega un momento en que el controlador da la misma señal para distintas señales de error.
• Fallo del actuador o del elemento final de control: el controlador no puede determinar el valor necesario de la magnitud manipulada. El valor determinado no lleva a la válvula a la posición que le corresponde debido a su fallo.

Oscilaciones

La realimentación negativa puede causar oscilaciones. Las oscilaciones ocurren en un bucle cerrado cuando al final de cada ciclo se suministra energía por realimentación en la misma dirección que se producen las oscilaciones. Situaciones no deseadas en la respuesta normal del sistema, aunque a veces las provocamos para obtener información.

Ganancia

Nos dice cuánto varía la salida según la variación de la entrada. Se define como la razón entre el cambio producido en la salida y el ocurrido en la entrada. Ganancia=KxG=S (sensibilidad). K=ganancia estática. La parte independiente de la señal de excitación. G= ganancia dinámica, no es constante. Varía según la frecuencia.

Periodo de oscilación

Es el intervalo de tiempo que separa dos picos positivos o negativos consecutivos. Es una característica del bucle.

Amortiguación

Las oscilaciones amortiguadas o atenuadas decrecen en vez de amplificarse, al atravesar los elementos del bucle.

Estabilidad

Es la capacidad que tiene una variable controlada para volver al punto de consigna después de intervenir una perturbación en el proceso, o alcanzar un nuevo valor de consigna cuando este cambia.

Evolucionar correctamente

El error producido en el curso del tiempo debe ser mínimo. El tiempo de regulación o asentamiento debe ser mínimo, la medida debe tardar lo menos posible en estabilizarse en el nuevo valor de consigna.

Anchura de banda

Delimita el rango de frecuencias que el lazo transmite y las que rechaza.

Pico de resonancia

Medida del grado de estabilidad del sistema.

Sobreimpulso máximo

Máxima desviación de la medida producida por un cambio ocurrido en la entrada.

Tiempo muerto

Intervalo de tiempo que va desde el instante en que se produce un cambio en la entrada hasta que se advierte un cambio en la medida.

Tiempo de subida

Tiempo necesario para que la respuesta suba desde un 5% o 10% del valor final hasta un 90% o 95% de este valor.

Tiempo de repetición o asentamiento

Es el tiempo necesario para que la respuesta entre y permanezca dentro de una banda estrecha, centrada sobre el valor final.

Periodo de las oscilaciones

Es el intervalo de tiempo que separa dos picos positivos o negativos consecutivos.

Razón de amortiguación

Es la razón entre las amplitudes de dos picos positivos o negativos consecutivos.

Estabilidad relativa

Concepto utilizado para expresar si un punto de operación es suficientemente estable, de modo que se mantenga estable al producirse un cambio frente a la carga o en el comportamiento del sistema.

Margen de ganancia

Define el factor por el que hay que multiplicar la ganancia existente en el punto de operación hasta situarlo en la frontera de la región de estabilidad.

Margen de fase

Lo que puedo aumentar la fase para que siga siendo estable.

Frecuencia de resonancia

Frecuencia en la que se alcanza la ganancia de máximo valor Mr, o pico de resonancia.

Pico de resonancia

Es el máximo valor que alcanza la ganancia de un sistema en lazo cerrado.

Tipos de perturbaciones

• Perturbaciones medibles: representan el efecto de las variables del proceso que se han considerado secundarias al desarrollar el modelo. Al introducir control FF la regulación frente a estas perturbaciones se puede mejorar.
• Perturbaciones aleatorias: permiten tener en cuenta la influencia del medio ambiente, ruidos de medida y cuantificación. El control FF no es muy efectivo en este caso.
• Perturbaciones de carga: su amplitud es desconocida y varían lentamente en el curso del tiempo.

Regulador proporcional

La salida es en todo momento proporcional al cambio ocurrido en el error.

Ventajas

• Respuesta inmediata.
• Acción específica.

Inconvenientes

• No elimina el offset.

Regulador proporcional-integral

Al aplicar la acción integral la cantidad de la variable manipulada cambia en cada momento a una velocidad proporcional al error.

Ventajas

• Elimina el offset.

Inconvenientes

• Introduce un retraso de 90º.

Tiempo de integración

Nos muestra el retraso de la salida. Tiempo que la acción integral tarda en alcanzar el valor deseado a la entrada respecto a la acción proporcional.