UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIAS
FISICOMECANICASESCUELA DE INGENIERIA MECANICASERVOSISTEMAS DE
POTENCIA FLUIDAFebrero 13 de 2015, Bucaramanga, Santander,
COLOMBIA
SERVOVLVULAS Y VLVULAS PROPORCIONALES EN CADENA CERRADA
Servos de posicin.
Diego Fernando Camacho GmezCod. 2103071Bucaramanga, Colombia
Diego Fernando Camacho GmezCod. 2103071Bucaramanga, Colombia
INTRODUCCIONEl control automtico ha desempeado una funcin vital
en el avance de la ingeniera y la ciencia, es una parte importante
e integral de los procesos modernos industriales y de manufactura.
Prcticamente, cada aspecto de las actividades de nuestra vida
diaria est afectado por algn tipo de sistema de control. Los
sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los
sectores de la industria tales como control de calidad de los
productos manufacturados, lneas de ensamble automtico, control de
mquina-herramienta, sistemas de transporte, sistemas de potencia,
robtica, etc., aun el control de inventarios y los sistemas
econmicos y sociales se pueden analizar a travs de la teora de
control automtico. Debido a que los avances de la teora y la
prctica del control automtico aportan los medios para obtener un
desempeo ptimo de los sistemas dinmicos, tales como mejorar la
productividad y eliminar muchas de las operaciones repetitivas y
rutinarias, los ingenieros y cientficos deben tener un buen
conocimiento de este campo.El propsito principal de un sistema de
control de posicin es llevar un actuador hasta una posicin o serie
de posiciones pre-programadas con precisin, ya sea mediante el
movimiento lineal realizado por un cilindro o el movimiento
giratorio realizado por un motor.Los actuadores son los elementos
encargados de transformar las seales de control en esfuerzos de
potencia. Tambin son los encargados de aportar la fuerza necesaria
para producir el movimiento requerido por diversos
automatismos.Otra definicin adecuada podra ser la de que los
actuadores son todos aquellos elementos que intervienen en el
control y cuya misin es realizar alguna funcin como respuesta a una
necesidad del control (funcin de salida).En la actualidad diversos
equipos industriales utilizan estos sistemas para cumplir con una
funcin en especfico que requiera de este tipo de control, tal es el
caso de los robots industriales (PUMA, KUKA entre otros) que
incorporan un sistema de posicin controlada compacta mostrado en la
siguiente figura, para ubicar un brazo robtico en las posiciones de
trabajo programadas para cumplir con el propsito ya sea: Soldadura
Corte Ensamble Taladrado Pintura entre otros.
IMPORTANCIA1. Los sistemas de control han sido de gran impacto
para el desarrollo de nuestra sociedad ya que han
permitido:Automatizar tareas humanas repetitivas, tediosas y/o
peligrosas.Trabajar con tolerancias muchos menores, mejorando la
calidad de los productos.Disminuir costos de produccin en mano de
obra e insumos.Mejorar la seguridad de operacin de las mquinas y
procesos.2. Los sistemas de control tienen vastas reas de aplicacin
en:Industrias del transporte, incluyendo la aeroespacial; procesos
qumicos y biolgicos; sistemas mecnicos, elctricos y
electromecnicos; agroindustria, industrias de procesos y de
manufactura; sistemas econmicos, polticos y sociales.3. Los
encontramos en nuestra cotidianidad:Desde la nevera hasta el
sistema de control de combustin electrnica de los automviles y as
como en nuestro propio cuerpo: control de la temperatura corporal,
presin arterial, equilibrio,...El simple acto de sealar con el dedo
es un sistema de controlPara centrar nuestra investigacin, en esta
unidad se trataran temas relacionados con los sistemas de control
de posicin, algunas definiciones, clasificaciones,
representaciones, los procesos de anlisis y particulares en general
de este tipo de control.
APLICACIONES COMUNESROBOT INDUSTRIAL KUKAEn la figura de la
izquierda se puede observar una lnea de ensamble de automviles que
usa este tipo de robots para la fijacin y acabado del chass en
donde cumplen la funcin de aplicar soldadura de punto para dar
rigidez al mismo, en la figura de la derecha se observa otra otro
de estos robots pero en este caso usado para realizar soldadura
continua en una pieza.
SISTEMA DE MANIOBRA DE UN AVIN
En esta figura se pueden observar los diferentes alerones y
estabilizadores que permiten la maniobra de un avin, estos sistemas
requieren de una gran fuerza y precisin para su accionamiento, por
tanto utilizan sistemas de potencia fluida controlados
electrnicamente. Debido a que estos mecanismos son de gran
importancia y criticidad en un avin, la calidad de los dispositivos
hidrulicos es bastante alta, y representan en gran medida el precio
de los aviones. En la mayora de los casos los aviones cumple su
ciclo de servicio y son dados de baja debido a fallas en el
fuselaje, mientras los dispositivos hidrulicos se mantienen en buen
estado, por esta razn es comn que sean reutilizados para la
fabricacin de nuevos vehculos areos.CONTROL DE POSICIN.Como ya su
nombre sugiere, la finalidad de un sistema de control de la posicin
es mover una carga hasta una cierta posicin o serie de
posiciones.Puede ser el movimiento lineal efectuado por un cilindro
o el movimiento giratorio realizado por un motor. En algunos casos,
el movimiento giratorio puede convertirse en lineal utilizando un
husillo de avance tal como se muestra en la figura.
Cuando se requieren niveles de precisin muy elevados, se
utilizan normalmente accionamientos mecnicos, tales como husillos
de avance o de bola. Si el paso de ste es de 5mm (0.2 in), es
posible posicionar el motor con una precisin de 1 grado. La
precisin lineal que puede conseguirse es 5/360: 0.014mm [0.005 in].
Para controlar el actuador se requiere una vlvula hidrulica que
normalmente lo hace avanzar, retroceder o parar. Si se utiliza una
vlvula de corredera deslizante, sta es bsicamente una vlvula de
tres posiciones como puede verse en la figura.
El control de posicin se realiza mediante sistemas hidrulicos
los cuales por medio de la recepcin de seales electrnicas permiten
controlar el grado de apertura de la vlvula para regular la posicin
del actuador, de tal manera que cuando el sistema encuentre la
posicin deseada, el sistema de control enve la seal requerida para
cerrar la vlvula y detener el movimiento del actuador, para este
fin se utilizan dos tipos de vlvulas especiales: Servo-vlvulas
Vlvulas de solenoide proporcional
Para un efectivo control de la posicin se deben tener vlvulas
con ciertas caractersticas que mejoren tanto la precisin como la
velocidad de respuesta del sistema: Sellos positivos que eliminen
la posibilidad de fugas no deseadas Poco traslape para evitar la
presencia de zonas muertas, o de ser necesario el traslape un
sistema de control con ganancia variable que disminuya en lo
posible esta zona sin respuesta. Retroalimentaciones internas que
permitan controlar con precisin la posicin del carrete. Rigidez
hidrulica para conseguir buena respuesta a la frecuencia en
procesos cclicos.
Las vlvulas que presentan las mejores caractersticas para el
control de posicin son las servovlvulas ya que renen las siguientes
ventajas que las hacen la mejor opcin para sistemas que requieran
de un control automtico de posicin para su funcionamiento: Dan
tiempos rpidos de respuesta Traslape reducido (Aproximadamente
cero) Buena linealidad ( relacin entre la seal de entrada y el
caudal regulado) Presenta una histresis baja (menor al 1%) Tiene un
sistema de realimentacin interna mecnica, que corrige
independientemente la posicin del carrete segn la seal de entrada
dada.
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA EN LAZO CERRADO
El transductor de medir la variable fsica a controlar, en este
caso la posicin del actuador, y suministra una seal de
retroalimentacin que ser comparada de manera continua con la seal
de comando. Al resultado de esta comparacin se le conoce como el
error, el cual ser manejado por el controlador que enva una seal de
control al actuador (servovlvula) permitiendo mover la corredera
principal para dar paso al caudal y dar movimiento al cilindro
principal.
En estos sistemas se puede contar con una amplia gama de
transductores de posicin tales como, los transductores lineales,
los LVDT (Linear Variable DifferentialTransformer), los encoder
(posicin angular) y los transductores de inductancia variable, a
continuacin de dar una breve explicacin de cada uno de
ellos.TRANSDUCTORES DE POSICINUna caracterstica sobresaliente de un
sistema en cadena cerrada es el hecho de que el estado de la
variable controlada (en este caso la posicin), es realimentado al
amplificador de control para una correccin automtica del error.
Esto requiere de un dispositivo que convierta la posicin en una
seal elctrica adecuada que pueda ser utilizada por el amplificador.
Tal dispositivo se denomina transductor de realimentacin.Hay dos
etapas para obtener una seal de realimentacin.En primer lugar, el
transductor tiene que detectar la variable de salida y en segundo
lugar, la seal del transductor debe acondicionarse para hacerla
compatible con el amplificador de control. El condicionamiento de
esta seal puede incluir: Amplificacin Separacin Demulacion
(rectificacin) Conversin de tensin a corriente (o viceversa)
Conversin de digital a analgico (o viceversa) Calibracin (adaptacin
de escala)
La introduccin de circuitos electrnicos integrados permite el
condicionamiento de la seal dentro del mismo
transductor.Considerando un diagrama de bloques sencillo para un
sistema en cadena cerrada, hay tpicamente dos caminos en el
sistema.
El camino directo incluye el amplificador de la vlvula, la
vlvula de control y el actuador. El camino de realimentacin incluye
el transductor de realimentacin y su electrnica
asociada.Cualesquiera errores o irregularidades que se presenten en
el camino directo, tales como histresis, no linealidad o deriva de
temperatura, son minimizados por la ganancia del amplificador de
control y pueden eliminarse completamente utilizando un
amplificador con una funcin integradora. Esta no es el caso en la
derivacin de realimentacin, en la que cualesquiera errores de los
componentes se reflejan directamente en el estado de la variable
controlada. Los transductores de posicin digitales (lineales o
giratorias) pueden, a su vez, dividirse en dos tipos: incrementales
y absolutos. Los primeros originan una serie de impulsos para
indicar la posicin relativa a un punto fijo dado. Estos impulsos se
envan a un contador bidireccional y mediante la lectura de ste,
puede establecerse la posicin relativa al punto dado. En la puesta
en marcha, el contador debe ajustarse a cero, moviendo fsicamente
un actuador hasta la posicin de referencia dada. El tener a cero
cada uno de los actuadores, despus de una interrupcin en el
suministro elctrico, puede resultar desventajoso en algunas
aplicaciones, y de hecho puede no ser posible en ciertos
casos.Consideraciones sobre los transductoresComo ya se ha
mencionado Un transductor de realimentacin es el componente crtico
para determinar el funcionamiento de un sistema en cadena cerrada.
Cuando se selecciona un transductor adecuado para una aplicacin,
deben tenerse en cuenta ciertas de sus caractersticas como se
indica a continuacin: Linealidad Histresis Repetibilidad Deriva de
temperatura Resolucin Rizado Velocidad de funcionamiento Respuesta
dinmica Instalacin Duracin de espera
TRANSDUCTORES DE POSICIN
TRANSDUCTOR LINEALConsta de un elemento resistivo y un contacto
mvil. La tensin de salida se obtiene a partir de la aplicada,
midiendo en el punto de contacto mvil con respecto a uno de sus
extremos. El cuerpo cuyo movimiento se desea medir se conecta al
contacto. Los cambios producidos en la tensin de salida guardan una
relacin lineal con los desplazamientos observados.
La mayor parte de las dificultades operativas de los
potencimetros suceden en el punto de contacto entre el elemento
mvil deslizante y la pista resistiva. El problema ms comn suele ser
el polvo acumulado debajo del elemento deslizante que contribuye a
un aumento de la resistencia medida y, consecuentemente, introduce
un error adicional a la medida. Los movimientos veloces de la parte
mvil pueden ocasionar rebotes, que provocan salidas elctricas
intermitentes. La fuerza de friccin puede ser un problema cuando al
potencimetro se aplican fuerzas del mismo orden de magnitud, ya que
slo una parte de ellas se traducen en movimientos efectivos.
Un valor tpico de precisin para potencimetros es 1 % de fondo de
escala. Existen modelos capaces de medir entre los rangos 2 mm, 1
m.Ficha tcnica
LVDTUn LVDT es un transformador que produce una tensin
proporcional al desplazamiento de un ncleo ferromagntico (ncleo
mvil), consta de un bobinado primario alimentado por una seal de
C.A y dos bobinados secundarios.
Cuando el ncleo se desplaza al interior de estas bobinas genera
voltajes inductivos en cada bobina secundaria proporcionales a su
desplazamiento.Los dos bobinados secundarios estn conectados en
serie y en fases opuestas de modo que la seal de salida es la
diferencia entre estos voltajes, de tal forma que cuando el ncleo
se encuentra en el centro las dos tensiones de las bobinas
secundarias se anulan y el voltaje de salida es cero.VENTAJAS: Alta
precisin. Alta resolucin. Larga vida. Resistencia a ambientes
difciles. Fcil instalacin.
Ficha tcnica
Posicin giratoriaComo con los transductores de posicin lineal,
los potencimetros pueden utilizarse para seales de posicin
giratoria pero son susceptibles a desgaste mecnico o deterioro en
algunas aplicaciones. El equivalente giratorio de un LVDT se
denomina RVDT (rotary differential variable transformer) y su
funcionamiento se basa en un principio similar, con la excepcin de
que se utiliza una leva especialmente diseada en lugar de un ncleo
de hierro. Es un transductor de posicin giratorio sin contactos.Una
segunda clase de transductor sin contactos es el encoder ptico que
est disponible en forma lineal o giratoria Ambos pueden ser de dos
tipos: incremental o absoluto.
ENCODER
Los codificadores rotatorios (conocidos genricamente como
encoders) son mecanismos utilizados para entregar la posicin,
velocidad y aceleracin del rotor de un motor. Sus principales
aplicaciones incluyen aplicaciones en robtica, lentes fotogrficas,
aplicaciones industriales que requieren medicin angular, militares,
etc. Un codificador rotatorio es un dispositivo electromecnico que
convierte la posicin angular de un eje, directamente a un cdigo
digital. Los tipos ms comunes de encoders se clasifican en:
absolutos y relativos (conocidos tambin como incrementales). Los
encoders absolutos pueden venir codificados en binario o gray.
Dentro de los encoders incrementales, se encuentran los encoders en
cuadratura, ampliamente utilizados en motores de alta velocidad y
en aplicaciones en las que interesa conocer la direccin del
movimiento del eje. El tipo comn de encoder incremental consiste de
un disco solidario al eje del motor que contiene un patrn de marcas
o ranuras que son codificados por un interruptor ptico (par
led/fotodiodo o led/ fototransistor) generando pulsos elctricos
cada vez que el patrn del disco interrumpe y luego permite el paso
de luz hacia el interruptor ptico a medida que el disco gira. La
resolucin de un encoder tpico es del orden de 1000 pulsos por
revolucin. Desde un encoder incremental no se puede determinar la
posicin angular absoluta del eje. Para poder determinar la posicin
relativa a un punto de referencia (cero), el encoder debe incluir
una seal adicional que genera un pulso por revolucin, denominada
ndice.
Gua de seleccin rpida
TRANSDUCTORES DE INDUCTANCIA VARIABLESu operacin se fundamenta
en la variacin que experimenta la autoinduccin de un arrollamiento,
debido al cambio producido en el acoplo magntico entre el
arrollamiento y un elemento mvil, generalmente ferromagntico.Estos
transductores se clasifican en dos grupos: sistemas acoplados y
sistemas libres de contacto. En los primeros, un ncleo magntico
permeable se desliza por el interior de una bobina. El vstago
sensible est sujeto al ncleo mvil el cual, al moverse, altera la
autoinduccin del arrollamiento. Como se aprecia, el aspecto de los
transductores de inductancia variable acoplados es muy similar al
del LVDT, salvo que en este caso slo presentan un arrollamiento con
dos tomas extremas y una central.
Los modelos libres de contacto se emplean con ms frecuencia que
los acoplados. En el modelo simplificado de la siguiente figura, se
aprecia el arrollamiento en torno al elemento central de un ncleo
ferromagntico en forma de E. Esta bobina se excita con tensin
alterna. El elemento mvil consiste en un plato ferromagntico muy
prximo al ncleo. Su movimiento altera el patrn de lneas de campo
magntico y, consecuentemente, provoca el cambio de la corriente que
circula por la bobina.
SERVO MECNICO DE POSICIN En su forma ms simple un servo o
servomecanismo es un Sistema de control que mide su propia salida y
la forza a seguir de la manera ms rpida y exacta una seal de
comando.
En la figura se puede observar que la palanca de control u otro
acoplamiento mecnico se conecta a la corredera de la vlvula. El
cuerpo de la vlvula est unido a la carga y se mueven conjuntamente.
Cuando se acta la corredera, el fluido se dirige al cilindro o
pistn para mover la carga en la misma direccin en que la corredera
es actuada. El cuerpo de la vlvula sigue as a la corredera. El
fluido contina pasando hasta que el cuerpo se centra con la
corredera. El resultado es que la carga siempre se mueva a una
distancia proporcional al movimiento de la corredera. Cualquier
tendencia a desplazarse ms all invertira el caudal de aceite para
situar la carga en su posicin inicial.Frecuentemente, esta unidad
servomecnica se denomina multiplicador; el impulso hidrulico
suministra fuerzas mucho mayores que la actuacin mecnica a la
entrada, hoy con control preciso, del desplazamiento.Si hay una
condicin de fuerza desequilibrada, el cilindro se acciona por este
desequilibrio, y el brazo de realimentacin mover el cuerpo de la
vlvula, con el cilindro, hasta que se corrija el desequilibrio.
Quizs la aplicacin ms frecuente del servo mecnico es la direccin
hidrulica. Algunas de las primeras direcciones hidrulicas fueron
desarrolladas por Harry Vickers. La direccin hidrulica es hoy en da
casi universal en autobuses de pasajeros y se utiliza muchsimo en
camiones y otros vehculos pesados. Hay muchas variaciones en los
diseos de las direcciones hidrulicas, pero todas ellas funcionan
con el mismo principio.
Direccin Hidrulica
SERVO ELECTROHIDRULICO DE POSICINServovlvulasLas servovlvulas
electrohidrulicas funcionan, esencialmente, enviando una seal
elctrica a un motor par o dispositivo similar, que directa o
indirectamente posiciona la corredera de la vlvula. La seal al
motor par puede ser generada por un potencimetro corriente u otro
dispositivo. Esta seal una vez aplicada a la servovlvula a travs de
un amplificador, ordena a la carga que se desplace hasta una
posicin determinada o que adquiera una velocidad deseada.
Servovlvula del tipo lengeta/boquillaEl amplificador recibe una
seal de respuesta (realimentacin), dada por un generador
tacomtrico, un potencimetro u otro transductor conectado a la
carga. Esta seal de respuesta se compara con la de entrada (orden)
y cualquier desviacin resultante se transmite al motor par como una
seal de error, efectundose la correccin. Los distintos tipos de
servos electrohidrulicos pueden suministrar un control muy preciso
de la posicin o de la velocidad.
Existen diferentes tipos de servovlvulas tales como:
SERVOVALVULA MFB (MechanicalFeedback)
Como su nombre lo indica este tipo de vlvulas realizan la
retroalimentacin mecnicamente, por medio de un conjunto lengeta
boquilla el cual, a pesar del desbalance producido al ingresar una
corriente al motor de torsin que desbalancea las presiones retorna
el spool a una posicin de equilibrio. SERVOVALVULA EFB
(ElectricalFeedback)
Este tipo de vlvula, adems de contar con la retroalimentacin
mecnica, cuenta tambin con un transductor, el cual entrega una seal
elctrica de retroalimentacin para generar un error entre la posicin
real y la posicin deseada.Control electrnico EFB
SERVOVALVULA D661
Control electrnico D661
VLVULAS PROPORCIONALESLas vlvulas proporcionales llenan el vaco
existente entre las vlvulas con solenoides convencionales y las
servovlvulas. Igual que las primeras, las vlvulas proporcionales
son de diseo sencillo y relativamente fcil de mantener. No
obstante, a diferencia de lo que ocurre con las vlvulas
convencionales, pueden ocupar un nmero infinito de posiciones
dentro de su intervalo de trabajo mediante el uso de un solenoide
proporcional. Las vlvulas proporcionales poseen muchas de las
caractersticas de control de las ms sofisticadas servovlvulas sin
su complejidad de diseo y coste elevado. Se utilizan en
aplicaciones que requieren un control preciso moderado del fluido
hidrulico.
Vlvula proporcional tpica
Cuando se requiere un control ms preciso, puede unirse a la
corredera un sensor de posicin que enva una seal a la conexin
sumadora, que se compara con la seal original de mando. Este mejora
mucho el funcionamiento de la vlvula.Como se muestra en el diagrama
de bloques de la siguiente figura, la seal de entrada se enva
primero al amplificador. A continuacin, el amplificador enva una
seal de salida al solenoide que transmite una fuerza a la corredera
de la vlvula proporcional, haciendo que se mueva. Entonces, un
sensor de posicin, tpicamente un LVDT, mide el desplazamiento
actual de la corredera. La seal de realimentacin (tensin) se enva a
la conexin sumadora en el amplificador.
En esta conexin, la seal de realimentacin se compara con la seal
de entrada. La diferencia entre las dos seales origina una seal de
error que sale de la conexin sumadora y llega al amplificador de
tensin. La salida amplificada al solenoide tambin vara para
reflejar la nueva seal de error. Este lazo continua hasta que la
seal de realimentacin se equilibra con la de entrada, y la
corredera alcanza la posicin especificada.A continuacin se muestra
un sistema electrohidrulico de posicin:
Circuito de regulacin con Servovlvula.
Circuito de regulacin con Vlvula Proporcional
El balance de fuerzas en el cilindro es obtenido cuando la seal
de realimentacin del potencimetro es aproximadamente igual a la
seal de entrada. Cuando el cilindro es de un solo vstago se tienen
diferentes reas, as que para obtener un balance de fuerzas la
vlvula debe incrementar la presin en un puerto y reducirla en el
otro. Esto se puede lograr de las siguientes maneras:
Dejar que la seal de retroalimentacin se mantenga ligeramente
detrs del valor requerido para generar el pequeo voltaje de error
que es necesario para mantener la vlvula ligeramente fuera de
centro.Cambiar el balance nulo de la vlvula de manera que el
desbalance hidrulico necesario se obtiene con una entrada elctrica
de cero.Con ambas soluciones el offset es muy leve. Debido a la
ganancia de alta presin de la vlvula, el balance de fuerza puede
ser obtenido con un movimiento de solo micro pulgadas del spool. La
segunda solucin es recomendada porque no produce errores elctricos
cuando el cilindro se encuentra en la posicin indicada. Con un
error elctrica cero el amplificador tiene menos tendencia a la
deriva y los errores del potencimetro son prcticamente nulos.
CARACTERISTICAS DINMICASEn las servovlvulas y en las vlvulas
proporcionales, la corredera de la vlvula se auto posiciona
mediante un mecanismo de control en cadena cerrada. Como se mencion
anteriormente, para una vlvula proporcional, la seal de
realimentacin proviene del sensor de posicin de la corredera, la
cual se suma a la seal de entrada para determinar el error y
corregirlo automticamente. En el caso de la servovlvula, la lengeta
acta como conexin sumadora con la seal de entrada del movimiento de
la armadura y la seal de realimentacin de la corredera principal.Es
necesario tener en cuenta las caractersticas dinmicas de una vlvula
examinando su respuesta a una entrada escaln o a una entrada que
vara sinusoidalmente conocida como respuesta en frecuencia.
Respuesta en frecuenciaSe refiere a graficar la respuesta dinmica
de una vlvula a una seal de entrada sinusoidal, cuando esta seal
vara a frecuencias muy bajas, la salida de la vlvula es capaz de
seguir la seal de mando, cuando la frecuencia de la seal de entrada
aumenta, el movimiento de la corredera es menos capaz de seguir con
precisin la seal de entrada provocando que se genere un retraso de
la seal de salida con relacin a la de entrada, adems de esto, el
aumento de la frecuencia hace que la seal de salida no pueda
alcanzar su valor mximo antes que la seal de entrada se invierta.
El retraso entre las seales de entrada y salida se denomina
desfasaje, el nivel reducido de salida conseguido a frecuencias mas
elevadas recibe el nombre de atenuacin.
A bajas frecuencias, el desfasaje es relativamente pequeo, pero
aumenta cuando la frecuencia de entrada se hace mayor, debido a
ello, esta es una de las caractersticas que define a una vlvula de
control, su frecuencia limite, es la frecuencia a la que el retraso
de salida con relacin a la entrada es de 90 o de de ciclo. Esta
frecuencia viene afectada por la presin de suministro y por la
amplitud de la seal de entrada, es importante, cuando se comparan
vlvulas asegurarse de que estos parmetros sean los mismos.
En la figura se puede observar los datos de respuesta a la
frecuencia de una servovlvula, en la cual la frecuencia de a 90 es
de aproximadamente 50 Hz, es importante resaltar que si una vlvula
tiene una valor de frecuencia ms alto a 90 esa vlvula responder ms
rpido que la vlvula a la que corresponde la figura.
Frecuencia NaturalEn muchas aplicaciones, se considera que el
fluido hidrulico es incompresible, lo que no es completamente
correcto puesto que cuando se presuriza se comprime de forma
similar a un resorte.Todo sistema hidromecanico puede ser
representado dinamicamente como un sistema masa-resorte, por lo
tanto todos esos sistemas tienen una frecuencia natural y cualquier
intento de operar el sistema a una frecuencia mas alta generara un
comportamiento inestable del mismo. La ecuacin para calcular la
frecuencia natural de un cilindro hidraulico se muestra a
continuacin
Donde:
Los valores de y dependen de la posicin del pistn durante la
carrera del mismo, de tal forma que la frecuencia natural del
sistema varia de un mximo a un mnimo en algn punto de la carrera,
como se puede apreciar en la siguiente figura, este valor mnimo
alcanzado por la frecuencia natural es el valor critico utilizado
para trabajar con el sistema. En la prctica, con tal que la relacin
de reas del cilindro no sea demasiado grande y el volumen de las
tuberas sea relativamente pequeo con relacin al volumen del
cilindro, es suficiente suponer que este valor mnimo se presenta a
mitad de la carrera.
SERVO ELECTROHIDRULICO VS SERVO MECNICO
El sistema de posicionamiento electrohidrulico tiene una gran
rigidez. Puede mantener su posicin con poco error contra las
grandes fuerzas aplicadas. La ventaja de este sistema sobre el
seguidor mecnico es que los voltajes de los dispositivos tales como
rels, interruptores de lminas, finales de carrera pueden ser
sustituidos por una palanca de control simple. El msculo hidrulica
todava seguir las tensiones de comando.
SISTEMA DE CONTROL DE POSICIONLa respuesta de un sistema de
control de la posicin en cadena cerrada a un cambio de escaln en la
entrada ya se ha discutido anteriormente y est resumido en la
siguiente figura.
Efecto al incrementar la ganancia Un aumento de la ganancia del
sistema tiene por efecto el reducir su tiempo de respuesta y, a
partir de un cierto valor, hace que la respuesta sobrepase la seal
de mando y que se produzcan oscilaciones. La ganancia del sistema
(o constante de velocidad), es una medida directa de la velocidad
que el sistema genera para corregir el error entre la seal de mando
de entrada y las posiciones reales de la salida. Correccin de las
Alteraciones con Control IntegralComo se dijo anteriormente, cuando
el sistema se encuentra en estado estacionario existe un pequeo
error, el sistema al tener un amplificador se comporta bsicamente
como un control proporcional, lo cual significa que al existir un
error generado por las anomalas de la vlvula (histresis, deriva de
cero, etc.) o una perturbacin externa como una fuerza la seal de
error debe aumentar, sea el cilindro se debe mover, para poder dar
la salida requerida para la nueva condicin de equilibrio. Un
aumento de la ganancia del sistema puede disminuir estos errores
pero no los eliminara completamente y puede tener un efecto
perjudicial por sobreimpulsos, tiempo de respuesta o estabilidad
del sistema.
Control Proporcional con una Perturbacin
Para eliminar los errores estacionarios, puede aadirse un trmino
integral al amplificador de la vlvula. Este trmino integral es la
salida de un amplificador integral utilizado como generador de
rampa. Una tensin constante a la entrada crea una tensin
gradualmente creciente a la salida.
Control Proporcional Integral con una Perturbacin
La magnitud de la tensin de entrada determina la pendiente de la
rampa de salida. Esta salida es proporcional a la entrada
multiplicada por el tiempo. Si la entrada al generador de rampa o
integrador es la seal de error en un sistema en cadena cerrada, un
error estacionario genera una salida gradualmente creciente.
Utilizando un amplificador proporcional e integral, cualquier
error estacionario en el sistema creara ahora una seal de
accionamiento a la servovlvula, gradualmente creciente. La
corredera se mover la suficiente para accionar el error y corregir
el error.
Efecto del Control IntegralCuando el error se reduce a cero, la
salida del integrador se nivela y se mantiene. En esta situacin, la
seal de mando para mantener la vlvula equilibrada y contrarrestar
la fuerza perturbadora esta siendo generada por la parte integral
del amplificador, no por la proporcional.
CONTROL PID
Un controlador PID bsico se caracteriza por combinar tres
acciones (P, I y D) mediante el siguiente algoritmo de control:
Donde:Accin proporcional (P): es la accin que produce una seal
proporcional a la desviacin de la salida del proceso respecto al
punto de consigna.Accin Integral (I): es la accin que produce una
seal de control proporcional al tiempo que la salida del proceso ha
sido diferente del punto de consigna.Accin derivativa (D): es la
accin que produce una seal de control proporcional a la velocidad
con que la salida del proceso est cambiando respecto del punto de
consigna.Constante de tiempo integral (Ti): es el tiempo,
generalmente expresado en minutos, que debe transcurrir para que la
accin integral alcance (igual o repita) a la accin
proporcional.Constante de tiempo derivativa (Td): es el intervalo
de tiempo, generalmente expresado en minutos, en el que la accin
derivativa adelanta a la accin proporcional.
Cada accin de control tiene una respuesta caracterstica:La accin
proporcional vara instantneamente con el error y alcanza un valor
estacionario cuando lo alcanza ste.La accin integral tiene en
cuenta la historia pasada del error y se anula cuando se hace
cero.La accin derivativa predice los cambios en el error y se anula
cuando alcanza un valor estacionario.
Controlador PSe observa la conducta de la variable controlada
despus de un salto en escaln unitario en el punto de consigna. Se
observan los siguientes hechos caractersticos cuando aumenta la
ganancia Kp del controlador: El error en estado estacionario
disminuye. El proceso responde ms rpidamente. La sobreoscilacin y
las oscilaciones aumentan.
Accin integral PIEsta accin elimina el problema del error en
estado estacionario frente a perturbaciones de carga constante. Por
ello se utiliza para determinar de forma automtica el valor
correcto de u0. Adems se usa para corregir el error en rgimen
permanente. Otra de las razones intuitivas que ayuda a comprender
los beneficios de la accin integral es que, cuando se introduce, la
existencia de un pequeo error durante un intervalo prolongado de
tiempo puede dar lugar a un gran valor de la seal de control. El
algoritmo de la accin integral es el siguiente:
Las propiedades de la accin integral se aprecian en la siguiente
figura, donde la ganancia proporcional se mantiene constante y se
vara el tiempo integral.
El caso particular en el que Ti es infinito corresponde con el
control P. Al introducir la integral se observa lo siguiente:El
error en estado estacionario se elimina cuando Ti tiene valores
finitos.Cuando Ti disminuye (mayor accin integral) la respuesta se
hace cada vez ms oscilatoria, pudiendo en ltimo trmino llegar a
inestabilizar el sistema.Accin derivativa PD:Uno de los problemas
del controlador PI y que limita su comportamiento es que solo
considera los valores del error que han ocurrido en el pasado, es
decir, no intente predecir lo que pasar con la seal en un futuro
inmediato.La accin derivativa realiza ese tipo de compensacin, que
se basa en introducir una accin de prediccin sobre la seal de
error. Una forma sencilla de predecir es extrapolar la curva de
error a lo largo de su tangente. El algoritmo de la accin
derivativa es el siguiente:
El parmetro Td es el tiempo derivativo y puede interpretarse
como un horizonte de prediccin. Al basar la accin de control en la
salida predicha, es posible mejorar el amortiguamiento de un
sistema oscilatorio. En la siguiente figura se puede observar las
propiedades de un controlador de este tipo:
Se puede apreciar que las oscilaciones se amortiguan cuando se
utiliza la accin derivativa. A medida que Td aumenta la salida se
va aproximando cada vez ms a una exponencial.Una desventaja
importante de la accin derivativa es que hay que ser cuidadoso a la
hora de escoger el valor del tiempo derivativo. En las industriales
es frecuente desconectar la accin derivativa (hacer Td=0).Un
ejemplo es el caso de procesos multicapacitivos, como puede ser el
control de temperatura. Debido a la inercia del sistema es
importante saber hacia dnde se est evolucionando. La accin de
calentamiento tiene que pararse a tiempo. Una conduccin lenta de
calor puede significar que, incluso despus de desconectar el
sistema de calentamiento, la temperatura contine aumentando durante
mucho tiempo. Durante este periodo la temperatura puede sobrepasar
considerablemente su punto de consigna si no se ejerce una accin de
control cuidadosa. Otro ejemplo donde es importante predecir el
error es cuando hay grandes retardos o tiempos muertos en el
proceso. En esta situacin, desgraciadamente, la accin derivativa no
suele dar una buena prediccin y hay que utilizar controladores
especficos (basados en el predictor de Smith o estrategias de
control predictivo) para solucionar el problema. Si no se tiene
acceso a un controlador de este tipo, en estos casos es mejor
utilizar un controlador PI.
Controlador PID.Combina en un nico controlador la mejor
caracterstica de estabilidad del controlador PD con la ausencia de
error en estado estacionario del controlador PI.
Ajuste emprico de controladores PIDDebido a su difundido uso en
la prctica, se nombran a continuacin varios mtodos de ajuste
emprico de controladores PID, basados en mediciones realizadas
sobre la planta real.Estos mtodos, referidos como clsicos,
comenzaron a usarse alrededor de 1950.Los mtodos clsicos de ajuste
que presentaremos son:
El mtodo de oscilacin de Ziegler-Nichols. El mtodo de la curva
de reaccin de Ziegler-Nichols. El mtodo de la curva de reaccin de
Cohen-Coon.
El mtodo de oscilacin de Ziegler-Nichols.El mtodo de
sintonizacin Ziegler-Nichols es un mtodo heurstico de sintonizar un
controlador PID. Fue desarrollado por John G. Ziegler y Nathaniel
B. Nichols. Se lleva a cabo mediante el establecimiento de
lasganancias derivativa e integral a cero. La "P" (proporcional) de
ganancia, K_p A continuacin se aumenta (de cero) hasta que alcanza
el K_u ganancia final, en la que la salida del bucle de control
oscila con una amplitud constante. K_u y el perodo de oscilacin T_u
se utilizan para establecer el P, I, D y ganancias en funcin del
tipo de controlador utilizado:
MtodoZieglerNichols
Tipo de Control
P--
PI-
PID
APLICACIONES DE SERVOS DE POSICINSERVO DE POSICIN Y DE VELOCIDAD
ANGULAR
Este sistema utiliza un servomotor de alta velocidad y un tren
de reduccin de velocidad acoplado a un volante de inercia, el cual
lleva incorporado un sensor de posicin y otro de velocidad que
llevan una seal de la posicin y velocidad real del volante a un
sistema de control PID, permitiendo accionar el motor segn el valor
del error del sistema y corregir el mismo dependiendo si se quiere
realizar un control de posicin o velocidad.El sistema posee adems
una interfaz grfica que permite al usuario variar las ganancias de
control y observar el comportamiento del sistema en tiempo real.Las
constantes para el sistema mostrado anteriormente fueron
determinadas de manera experimental obteniendo los siguientes
resultados:
En la siguiente grafica se puede ver el comportamiento del servo
de velocidad, se observa que el comportamiento fue bastante bueno
ya que se estabilizo de manera satisfactoria y sin oscilaciones,
aunque el pico de sobre amortiguamiento su pudo haber reducido
mediante un manejo correcto de la ganancia derivativa.
BANCO DE SERVOS DE POSICIN
El banco est conformado por dos cilindros verticales a los
cuales estn sujetas unas masas, adems de esto se encuentran unos
resortes en la parte superior dispuestos de esta manera para ser
comprimidos e introducir una perturbacin al sistema.Un cilindro es
controlado por una ServovlvulaMoog 62 y el otro controlado por una
vlvula proporcional Vickers, ambos cilindros poseen un transductor
de posicin. El sistema es controlado mediante un PLC S7-200 o
mediante un microcontroladorArduinoATMega.
A continuacin se muestra el plano hidrulico, donde se puede
observar que es igual a los circuitos propuestos en la
literatura.
El anterior sistema se comporta como un sistema en lazo cerrado
sujeto a una perturbacin, y su diagrama de bloques correspondiente
se muestra a continuacin:
Para la obtencin de un modelo matemtico adecuado el sistema fue
modelado de la siguiente manera:
A partir del modelo anterior se procedi a analizar cada
componente con el objetivo de encontrar la ecuacin que modela el
sistema donde se relaciona la fuerza hidrulica con la posicin:
El sistema fue modelado en simulink para poder conocer el
posible comportamiento del sistema:
La respuesta a una entrada escaln se muestra a continuacin:
Se puede observar que el sistema se comporta de una manera
satisfactoria y no presenta problemas para estabilizarse.
PRUEBAS Y RESULTADOSSe realizaron pruebas de escaln para la
servovlvula y la vlvula proporcional mediante es uso de un PLC
S7-200 y una tarjeta Arduino Mega 2560 con el fin de observar y
comparar el comportamiento entre los dos elementos de
control.Escaln a 10 [cm] con la servovlvula y el PLC S7-200
Escaln a 10 [cm] con la vlvula proporcional y el PLC S7-200
Escaln a 10 [cm] con la servovlvula y el Arduino Mega 2560.
Escaln a 10 [cm] con la vlvula proporciona y el Arduino Mega
2560.
Observaciones y ConclusionesEn general los dos controladores
cumplen la funcin, pero es evidente que el funcionamiento del PLC
supera al Arduino Mega, en exactitud y respuesta del sistema. Es
importante saber que las adaptaciones realizadas en Arduino,
muestran una mejora en la salida del sistema, pero la proveniencia
de la seal (PWM), se refleja en el recuadro, PID Output, donde la
onda maneja partes cuadradas y no es totalmente anloga. De los
resultados anteriores se puede observar que la servovlvula responde
de manera mucho ms rpida pero ambos muestran un comportamiento
similar en la precisin, tambin se puede observar que la seal
enviada a la vlvula proporcional es mucho ms estable que la seal
requerida por la vlvula proporcional.
BANCO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE UNA TRANSMISION
HIDROESTTICA
En este banco ubicado en el laboratorio de control automtico, se
controla la velocidad de un motor hidrulico (acoplado a un volante
inercial y a una bomba que simula carga para perturbar el sistema),
por medio del control de la posicin de la placa oscilante de una
bomba de pistones, para tal propsito se utiliza un actuador lineal
que esta acoplado a la placa oscilante, el cual acta por medio de
una servo-vlvula y un LVDT que sensa su posicin real, un sistema
electrnico se encarga de recibir la seal de setpoint desde un
ordenador y de enviarla a la servo-vlvula para fijar una posicin en
el actuador, instantneamente el LVDT retroalimenta al controlador
con una seal proporcional a la posicin del actuador.
Este sistema cuenta con dos retroalimentaciones para dar control
a la velocidad, una se da mediante el LVDT que sensa la posicin de
la placa de la bomba, y la otra se da por medio de un
taco-generador que sensa la velocidad directamente del sistema.A
continuacin se muestra un diagrama de bloques del sistema de
control que esta implementado en este banco:
ESQUEMA DEL SERVO DE POSICIN
MQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS INSTRON
Esta mquina de ensayos, diseada para someter vigas a cargas
cclicas hasta su falla, integra un sofisticado servosistema de
control que se encarga de manipular dos variables, la posicin y la
fuerza, para ello utiliza una servovlvula acoplada directamente a
un actuador hidrulico de con un rea efectiva de 40.5 in^2 y una
carrera total de 150 mm, generando as una fuerza total de
aproximadamente 55 toneladas.El sistema usa una servovlvula para
dar control tanto a la posicin como a la fuerza, debido a que este
tipo de vlvulas presentan buenas caractersticas de linealidad y
baja histresis, adems gracias a los finos mecanizados que presenta,
el traslape es muy reducido, una caracterstica muy importante en el
control de la posicin.A continuacin se muestra un esquema que
presenta los principales lazos que controlan el equipo Instron:
Para el sistema de control de posicin se utiliza un transductor
de posicin de resistencia variable lineal de alta precisin el cual
esta acoplado directamente al actuador hidrulico y da en tiempo
real una retroalimentacin al sistema de control.
Un sistema de control programado en LABVIEW recibe la seal del
transductor y enva la accin de control adecuada para corregir el
error. La interfaz grfica programada en LABVIEW est hecha para que
el usuario interacte directamente con la mquina y el sistema de
control, permitiendo as sintonizarla y de manera prctica encontrar
las constantes de control (Kp,Ki y Kd).CIRCUITO DE CONTROL Y
ADQUISICIN DE DATOS
PANEL DE CONTROL E INTERFAZ DEL USUARIO
APLICACIONES INDUSTRIALES MODERNASEl control automtico aplicado
a los sistemas de potencia fluida ha permitido mejorar los procesos
de manufactura, incrementando los tiempos de produccin y dando
adems una flexibilidad que sin el automatismo no sera posible.Un
buen ejemplo de ello son las prensas modernas usadas en el
troquelado y el forjado, las cuales tienen la capacidad de realizar
el trabajo que antes era hecho por varias prensas taradas a
diferentes presiones y con fines de carrera ubicados a distintas
posiciones, en donde la pieza era trasladada de maquina a mquina
llevando a cabo preformas que llevaban al acabado final,
actualmente este trabajo es capaz de realzarlo una sola prensa con
control de posicin, velocidad y fuerza, la cual mediante la
variacin de las seales electrnicas de entrada dadas a partir de un
PLC u ordenador, puede variar su comportamiento automticamente para
realizar diferentes operaciones de preforma a una misma pieza,
llevando a cabo todo el trabajo ya sea de forjado o troquelado.A
continuacin se muestran imgenes de algunas de las diferentes
prensas que se encuentran en el mercado, que incorporan el control
automtico para controlar su comportamiento:
PRENSAS TROQUELADORAS
PRENSAS DE FORJADO
Los sistemas de control de posicin en actuadores hidrulicos
tambin son usados actualmente en sistemas de mecanizado CNC, en los
cuales actuadores controlados electrnicamente mueven la mesa de
sujecin de la pieza para dar el mecanizado deseado, ya sea fresado,
truncado, torneado, taladrado, tronzado etc. Estos sistemas usan
servovlvulas de alta calidad que de por si definen las tolerancias
mnimas del sistema de mecanizado. Los centros de mecanizado
actuados hidrulicamente se prefieren por encima de los actuados por
tornillos de potencia gracias a su velocidad de respuesta y por
ende velocidad de produccin.
CENTROS DE MECANIZADO ACTUADOS HIDRULICAMENTE