Fundamentos de Sistemas de Control: Componentes, Lógica y Ejercicios Prácticos

Ejercicios de Sistemas de Control

Ejercicio 1: Control de Nivel de Agua en un Depósito

La figura muestra el ejemplo de un sistema de control simple utilizado para mantener un nivel constante de agua en un depósito. Es un sistema de control de bucle cerrado con los siguientes elementos. Determine en este proceso de control qué es:

1. El proceso: Control de nivel de agua de un depósito.
2. La variable controlada: Nivel de agua en el depósito.
3. El valor de referencia (Set Point): La posición inicial de la palanca instalada.
4. El elemento de comparación: La palanca.
5. La señal de error: La diferencia entre la posición actual e inicial de la palanca.
6. El controlador: La palanca articulada.
7. El accionador: La aleta que abre y cierra el suministro del agua.
8. El equipo de medida: El flotador y la palanca.

a) Explicar brevemente el funcionamiento del sistema.

Este es un sistema de control simple utilizado para mantener un nivel constante de agua en el depósito. El valor de referencia es la instalación inicial de un dispositivo de palanca que corta el suministro de agua a un nivel requerido.

Cuando el agua sale del depósito, el flotador se desplaza hacia abajo con el nivel del agua. Esto hace que el dispositivo de palanca gire y permita que el agua entre en el depósito. Este flujo continúa hasta que el flotador ha subido a una altura tal que hace que la palanca corte el agua. Es un sistema en bucle cerrado, ya que la acción de control depende de la medición de la variable controlada (el nivel).

b) Dibujar un diagrama de bloques funcional donde se muestren cada uno de los elementos de este proceso de control.

(Nota del profesor: El diagrama de bloques debe incluir la interconexión de los elementos identificados en la lista anterior: Valor de Referencia, Elemento de Comparación, Señal de Error, Controlador, Accionador, Proceso y Equipo de Medida/Sensor).

Ejercicio 2: Control de Velocidad Rotativa y Alarmas

Haciendo uso de la tabla de Designación de Instrumentos, explique el funcionamiento del sistema de control representado en la figura.

El sistema consta de una máquina rotativa con un sensor de posición/velocidad (ZT) y dos alarmas: una que indica si las rotaciones son muy rápidas (ZSH, Speed High Alarm) y otra que indica si las rotaciones son muy lentas (ZSL, Speed Low Alarm).

Al controlador se le envía la señal (ZT) y este elabora una respuesta en corriente. Dicha señal es enviada al amplificador (como puede ser un regulador de potencia PWM) que comanda la máquina rotativa.

El control puede ser ON/OFF para girar más lento si la alarma es de rotaciones altas, o girar más rápido si la alarma es de rotaciones bajas. Alternativamente, puede ser un control en bucle cerrado si se establece una consigna de velocidad a monitorizar por el sensor ZT, permitiendo una regulación continua.

Ejercicio 3: Acción Directa e Inversa en Sistemas de Seguridad

En el siguiente sistema de control, queremos que no haya desbordamiento de líquido, aunque se produzca un fallo en el controlador o la válvula. Estudiar de qué tipo (acción directa o inversa) deben ser estos instrumentos (controlador y válvula).

Definiciones Clave

• Controlador de Acción Directa: Aumenta su acción cuando el valor de la medida aumenta.
• Controlador de Acción Inversa: Disminuye su acción al aumentar la medida.
• Válvula de Acción Directa (Normalmente Abierta - NA): Por defecto, está abierta y, según recibe señal, se cierra.
• Válvula de Acción Inversa (Normalmente Cerrada - NC): Por defecto, está normalmente cerrada y, según recibe señal, se abre.

Determinación de la Acción de los Instrumentos

Atendiendo a estas definiciones, como no queremos que haya desbordamiento de líquido en caso de avería (falla de energía o señal), la válvula debe cerrarse por defecto para evitar la entrada de líquido.

1. Determinación de la Válvula:

   La válvula permite la entrada de líquido al depósito. Para evitar que entre líquido en caso de fallo (pérdida de señal), la válvula tendría que cerrarse si no recibiera señal. Por lo tanto, necesita ser una válvula de acción inversa (NC).

2. Determinación del Controlador:

   El objetivo es evitar el desbordamiento. Cuando el nivel (medida) baje de la consigna, la válvula tendrá que abrirse para rellenar el depósito. Dado que la válvula de acción inversa solo se abre cuando recibe señal, el controlador tendrá que aumentar su señal cuando la medida (nivel) disminuya. Esto lo realiza el controlador de acción inversa.