TIPOS DE CONTROL.
Veremos en este apartado un resumen de los sistemas que m�s se utilizan en la actualidad, relacionados con
la regulaci�n industrial y el control de procesos.
Regulador ON - OF.
Es la regulaci�n m�s simple y econ�mica, interesante en numerosas aplicaciones en las que puede admitirse
una oscilaci�n continua entre dos l�mites, siempre y cuando se trate de procesos de evoluci�n lenta. Como
ejemplos podemos citar la regulaci�n de nivel, de presi�n o de temperatura, todos ellos problemas
relativamente sencillos de l�gica digital que no tratamos en este tema. Numerosos reguladores incorporan esta
funci�n b�sica, que adem�s ofrece la m�xima rapidez de respuesta y en ocasiones se recurre a este tipo de
control cuando el error es grande, y se pasa de forma autom�tica a otro tipo de regulaci�n cuando el error se
aproxima a cero.
En la siguiente figura se puede ver un diagrama de bloques y una representaci�n de su funcionamiento: Gracias
a la existencia de una hist�resis (h), el n�mero de conmutaciones se reduce notablemente. Sin hist�resis, el
accionador se activar�a y desactivar�a con demasiada frecuencia (gr�fica con l�nea fina). La hist�resis es como
una oposici�n a experimentar cualquier cambio y generalmente ser� un efecto perjudicial, por ejemplo, al
descender una temperatura despu�s de haber alcanzado un m�ximo, el sensor pudiera mantener el mismo
nivel de se�al hasta que la temperatura real descienda m�s de 8 grados, por ejemplo. Sin embargo, este
efecto no es perjudicial en el tipo de regulador que tratamos: Su respuesta es de tipo todo-nada, de forma que
se conecta cuando la variable regulada ha descendido hasta un valor (-U) por debajo del punto de consigna "c"
y solo se desconecta cuando llega a otro valor (+U) por encima del punto de consigna. As� se establece un
margen de variaci�n en el que mantiene su estado el actuador.
A continuaci�n se muestra un ejemplo de controlador con hist�resis que permite regular la temperatura de un
horno entre dos valores: A la se�al de consigna (5V) se le resta la tensi�n que existe entre los extremos de la
resistencia variable con la temperatura NTC, dando una se�al de error Ve. El controlador es simplemente el
integrado 7414, que aplica la hist�resis buscada. El 7407 es un buffer con salida en colector abierto que se
encarga de controlar la corriente necesaria para alimentar el rel� (puede sustituirse por un transistor como
tambi�n vemos en la figura). El problema del 7414 es que la hist�resis es fija, de modo que no permite ajustar
el margen de temperaturas. Una soluci�n a este problema consiste en hacer un montaje con operacional de
forma que si modificamos el valor de las resistencias R1 y/o R2 se modifica el valor de la hist�resis seg�n las
f�rmulas indicadas.
Aut�matas programables.
Empezaron a introducirse a mediados de los a�os 60 como aparatos de control estrictamente discreto (todo o
nada). Cuando pudieron ser programados mediante el lenguaje de contactos ya existente en la l�gica
cableada, pronto dominaron el mercado. Sin embargo, los problemas m�s elaborados y los que requer�an la
manipulaci�n de magnitudes anal�gicas, se dejaron para los tradicionales sistemas de control distribuido.
El siguiente paso fue configurar los aut�matas para gestionar y tratar datos num�ricos. Se a�adieron entradas
y salidas anal�gicas para poder leer informaci�n de sensores y transmitir �rdenes a los actuadores. Fu�
relativamente sencillo incorporar como est�ndar el algoritmo de control PID a los aut�matas mediante un
m�dulo adicional, bien de tipo anal�gico, o bien digital con un procesador propio puesto que en ese momento
un solo procesador no ten�a suficiente velocidad de c�lculo para realizar todas las funciones.
A finales de los a�os ochenta, algunos aut�matas dejaron de utilizar un m�dulo adicional para funciones de
regulaci�n e incorporaron el PID como un mero algoritmo de c�lculo existente �nicamente en la memoria del
aparato. Cuando se consiguieron tiempos de ejecuci�n por debajo del milisegundo, los usuarios empezaron a
concebir que un tiempo as� de peque�o era despreciable comparado con la velocidad de la mayor�a de los
procesos.
Los aut�matas se han implantado m�s en las industrias manufactureras, donde el control discreto es m�s
abundante, pero no se excluye usar reguladores. En las industrias de procesos continuos priman los sistemas
de control distribuido, con los reguladores al frente, pero tampoco se excluyen aut�matas. En lo que se refiere
a los algoritmos de control, los aut�matas disponen de lazos PID individuales: Quiz�s es en los algoritmos de
control avanzados tales como l�gica difusa, redes neuronales, avance/retroceso, ganancia adaptativa o
compensaci�n del tiempo muerto donde los reguladores industriales tienen m�s margen de maniobra y
pueden adaptarse a cada situaci�n en particular.
Regulador PID.
El algoritmo de control m�s ampliamente extendido es el PID, pero existen muchos otros m�todos que pueden
dar un control de mayor calidad en ciertas situaciones donde el PID no responde a la perfecci�n. El PID da
buenos resultados en la inmensa mayor�a de casos y tal vez es por esta raz�n que goza de tanta popularidad
frente a otros reguladores te�ricamente mejores. Los dise�adores de software de regulaci�n pretenden que
programar los nuevos sistemas de control sea tan f�cil y familiar como el PID, lo que posibilitar�a una transici�n
sin dificultades.
Sea cual sea la tecnolog�a de control, el error de regulaci�n es la base a partir de la cual act�a el PID y se
intuye que cuanto m�s precisa sea la medida, mejor se podr� controlar la variable en cuesti�n. Esta es la raz�n
por la que el sensor es el elemento cr�tico del sistema. Tambi�n se debe pensar en la instalaci�n,
especialmente en la forma en que se transmiten los datos del sensor hacia el regulador y posibles fuentes de
interferencias.
Un regulador proporcional-integral-derivativo o PID tiene en cuenta el error, la integral del error y la derivada del
error. La aci�n de control se calcula multiplicando los tres valores por una constante y sumando los resultados.
Los valores de las constantes, que reciben el nombre de constante proporcional, integral y derivativa, definen el
comportamiento del regulador.
La acci�n proporcional hace que el PID responda en�rgicamente cuando el error es grande, condici�n que
aparentemente es necesaria y suficiente, pero no es as� en la mayor�a de los casos por dos razones
fundamentales:
1.- Muchas veces la variable regulada aumenta o disminuye si no existe una
acci�n que la mantenga invariable, por ejemplo un cuerpo desciende por gravedad, un fluido disminuye su nivel
o presi�n si existe una v�a de salida, un resorte tiende a adoptar la posici�n de m�nima energ�a, etc. Cuando la
variable se acerca al punto de consigna la acci�n proporcional se debilita y no vence la tendencia de la
variable, alcanzando un reposo antes de lo previsto y por lo tanto manteniendo un error permanente.
2.- Aunque el error disminuye al aumentar la constante proporcional, no es
correcto aumentar dicha acci�n todo lo necesario para conseguir un error muy peque�o, porque toda magnitud
tiene cierta inercia a permanecer en su estado de reposo o de variaci�n constante, responde desde el primer
momento a la acci�n de control pero con cierto retraso o pereza, por ejemplo no podemos detener un m�vil de
forma instant�nea, un motor no alcanza inmediatamente su velocidad nominal, etc. Si la acci�n proporcional es
grande, la variable regulada se acercar� al punto de consigna demasiado deprisa y ser� inevitable un
sobrepasamiento.
Por la primera raz�n expuesta se deduce la conveniencia de a�adir otra acci�n que responda si el error se
mantiene a lo largo del tiempo, algo parecido a una memoria hist�rica que tenga en cuenta la evoluci�n del
error. As� act�a la acci�n integral, que se encarga de mantener una respuesta cuando el error se anula, gracias
al error que existi� en el tiempo ya pasado. Esta respuesta mantenida contrarresta la tendencia natural de la
variable.
Por la segunda raz�n expuesta, se comprende la necesidad de a�adir otra acci�n que contrarreste la inercia
del proceso, fren�ndolo cuando evoluciona demasiado r�pido y aceler�ndolo en caso contrario, algo parecido
a una visi�n de futuro que se anticipa a lo que previsiblemente ocurrir�. As� act�a la acci�n derivativa, conocida
tambi�n como anticipativa por ese motivo.
La parte problem�tica es la sintonizaci�n, es decir, dar valores a las constantes que representan las
intensidades con las que act�an las tres acciones. La soluci�n a este problema no es trivial puesto que
depende de c�mo responde el proceso a los esfuerzos que realiza el regulador para corregir el error.
Si se considera un proceso con un retraso considerable y el error var�a r�pidamente por un cambio en consigna
o en carga (perturbaciones), el regulador reaccionar� de inmediato, pero como el sistema responde
lentamente, la acci�n integral empezar� a tomar mucha importancia y cuando llegue al punto de consigna
mantendr� una acci�n muy intensa basada en el error existente durante el tiempo de retraso y produciendo un
rebasamiento. En los procesos con mucho retraso, la acci�n integral debe ser peque�a seg�n esta
consideraci�n.
Si el proceso presenta poco retraso, el t�rmino integral tendr� poco peso respecto a las otras dos acciones
porque los errores existen poco tiempo. En cambio, el t�rmino derivativo ser� de importancia porque el error
var�a con rapidez, debiendo utilizar una constante derivativa peque�a para evitar reacciones exageradas.
Control multivariable.
Se aplica cuando existen dos o m�s variables que est�n acopladas, o lo que es lo mismo, cuando la variaci�n
de una ejerce una variaci�n en otra. Como ejemplo se puede citar la climatizaci�n de una sala en la cual es
preciso controlar la temperatura y la humedad relativa del aire. Si la temperatura de la sala desciende, la
humedad relativa sube, puesto que el aire est� m�s fr�o. Por otra parte, si se introdujera vapor a la sala, no solo
aumentar�a la humedad, sino que tambi�n lo har�a la temperatura.
El regulador que controla la inyecci�n de vapor y el que controla la temperatura (por enfriamiento) deber�an
integrarse para conseguir un objetivo com�n m�s que intentar controlar sus respectivas variables por separado.
Con el algoritmo adecuado puede lograrse no solo que los dos reguladores operen sin contradicciones, sino
tambi�n minimizar el consumo energ�tico o en general optimizar cualquier otra variable de que se disponga.
Los controladores multivariable son m�s comunes en las industrias aeron�utica, energ�tica y petroqu�mica.
Control difuso.
Otro tipo de control que est� ganando adeptos es el control por l�gica difusa (fuzzy control). Se trata de un
control que se basa en la experiencia adquirida y actuar como lo har�a una persona, es decir, con reglas
emp�ricas. Este tipo de control no lineal est� dando muy buenos resultados en procesos no lineales y de dif�cil
modelizaci�n.
Si el problema de control es la falta de experiencia debido a que el proceso no se conoce a la perfecci�n o la
evoluci�n de la variable a regular es complicada, se puede programar un control con l�gica difusa con la ayuda
de una red neuronal, que es el nombre que recibe un sistema un tanto complejo de aprendizaje, es decir, la
red neuronal aprender�a del sistema lo suficiente para informar al control con l�gica difusa de cu�les son las
reglas a usar en cada momento para obtener un buen control.
Sistemas SCADA.
Los paquetes SCADA son la soluci�n m�s extendida para resolver el problema de la supervisi�n de una planta,
incluyendo las intervenciones necesarias en caso de incidencias, por lo tanto, no se trata de un sistema de
regulaci�n propiamente dicho.
Supervisar lo que ocurre en una planta es una necesidad que ha venido resolvi�ndose mediante paneles
est�ticos con dibujos que representaban los objetos de la planta, a�adiendo l�mparas e indicadores que daban
la sensaci�n de dinamismo. Construir este tipo de paneles es muy costoso y los cambios en la planta suponen
la mayor�a de las veces tener que realizar otro panel nuevo y tirar el anterior.
Los programas de Supervisi�n, Control y Adquisici�n de DAtos (SCADA) han venido a sustituir estos paneles
por im�genes en la pantalla de un ordenador que puede dise�ar el propio usuario para el proceso concreto y
relacionar los objetos de las pantallas con los que realmente existen en la planta. Adem�s de la supervisi�n de
la planta, estos programas suelen tener otras muchas funciones:
- Gesti�n de se�ales de alarma y ejecuci�n de acciones consecuentes, que pueden ir desde un simple aviso
hasta la modificaci�n del proceso o su parada autom�tica.
- Control de la planta por la manipulaci�n de los par�metros que utilizan los controladores digitales
subordinados y que normalmente son aut�matas programables conectados en red con el ordenador en el que
corre el paquete SCADA. El �xito del control requiere un mapeo de se�ales adecuado, que consiste en vincular
las variables de los controladores con las del programa SCADA.
- Recopilar informaci�n hist�rica del proceso, que resulta de gran utilidad para optimizarlo, predecir la
aparici�n de alarmas, etc. Se utilizan para ello t�cnicas estad�sticas.
- Presentar ayuda en pantalla sobre el proceso para los usuarios.
- Funciones de seguridad, como limitar el acceso a determinadas funciones para los usuarios no autorizados.
Sistemas Distribuidos de Control (SDC).
Bajo esta denominaci�n englobamos aquellos sistemas destinados al control de grandes o peque�as plantas
de procesos, fundamentalmente de tipo continuo (papeleras, cementeras, petroqu�micas, energ�a, siderurgia...),
con capacidad de llevar a cabo el control integral de la planta. Se caracterizan por un fuerte componente
inform�tico y una estructura jerarquizada.
A grandes rasgos, se constituyen por un conjunto de controladores y un computador central enlazados por un
canal de comunicaci�n muy r�pido. Con esta descentralizaci�n del mando se repite lo que ocurri� hace muchos
a�os en los talleres con la fuerza, cuando un motor muy grande transmit�a el movimiento a todas las m�quinas,
consumiendo gran parte de potencia en las transmisiones y parando toda la producci�n cuando el motor ten�a
un fallo. La soluci�n consisti� en emplear un motor para cada m�quina y a�n para cada eje de la m�quina.
Igualmente los sistemas distribuidos de control han pasado a utilizar un controlador para uno o unos pocos
lazos de regulaci�n y han sustituido un basto sistema de comunicaciones por un �nico canal muy r�pido.
Las ventajas que caracterizan a un SDC respecto a los sistemas anteriores son:
- Desarrollo de sistemas a base de m�dulos (en hardware y en software) que facilitan los cambios, el
aislamiento y localizaci�n de aver�as, etc.
- Amplio abanico de algoritmos de regulaci�n, seleccionables por men�s.
- Redundancia en los equipos y en las comunicaciones. En las grandes instalaciones el coste del sistema de
control no llega al 5% del de la instalaci�n. Para evitar paradas que pueden suponer cuantiosas p�rdidas se
recurre a la duplicaci�n de los sistemas de control y sistemas antifallo para que sea detectada r�pidamente la
procedencia de los fallos e informados los usuarios de las correcciones que deber�n realizarse.
- Gran capacidad en comunicaciones, gracias a la constante superaci�n en la velocidad de transmisi�n de
datos.
- F�cil mantenimiento sustituyendo tarjetas y compatibilidad de nuevos equipos con los anteriores.