El mundo real es analógico (continuo), como también lo son la mayoría de los procesos industriales, hasta el punto que resulta difícil encontrar uno en el que no exista regulación de alguna magnitud. Por ejemplo, se regula posición en cada uno de los segmentos de un robot, en los carros de una máquina de control numérico, en la manipulación de piezas que pueden ocupar múltiples posiciones, en una carretilla que puede parar en cualquier punto de su recorrido, en la alimentación de material de fácil rotura o deformación... Una larga lista puede citarse igualmente para otras magnitudes como velocidad, presión, fuerza, caudal, potencia, nivel, temperatura, tensión, intensidad... Incluso el cultivo de microorganismos o la acidez de un detergente precisan regulación. En todo lo anterior no se ha mencionado la tecnología de control, así por ejemplo, una válvula puede regular caudal de forma mecánica, neumática, electrónica..., o varias formas combinadas. Difícilmente podríamos hacer una clasificación de los reguladores, que en muchas ocasiones ni siquiera existen físicamente porque son un mero algoritmo que forma parte del programa en un controlador digital.
Si la perspectiva de la regulación es tan basta, ¿qué es lo que interesa conocer del tema?: Quien diseña sistemas de regulación tendrá mayor interés en la teoría matemática, que es independiente de la tecnología, pero necesitará conocer una o varias tecnologías para llevarlo a la práctica. Quien solo utilizará sistemas de regulación necesita saber ajustar parámetros (sintonía de parámetros), sin importar la naturaleza física o programada de los reguladores. En procesos lentos, el ajuste de parámetros puede que sea sencillo, bastando un procedimiento de tanteo por prueba y error. Otros procesos, más difíciles de regular, exigen conocer con más detalle el significado de los parámetros y la respuesta del proceso. En el más difícil de los casos o para encontrar los ajustes óptimos, se recurre a la teoría matemática basada en la respuesta en frecuencia o en el tiempo.
El problema principal de la regulación es que depende fundamentalmente del proceso. Podemos conocer qué valores debemos ajustar en unas circunstancias concretas, pero tarde o temprano el proceso es alterado, bien porque se necesita atender una demanda a gusto del cliente, bien para introducir mejoras como aumentar la velocidad de producción, o bien porque aparecen perturbaciones debidas a irregularidades, desgastes, cambios de temperatura o quién sabe qué otros factores. En todo caso, la experiencia sobre el proceso es importante, como lo es, por ejemplo, conocer el comportamiento de un automovil al trazar una curva a gran velocidad.
REGULACIÓN EN LAZO ABIERTO.
Un ejemplo cotidiano lo tenemos en la ducha de una vivienda. Al girar determinado ángulo las llaves de agua fría y caliente, la temperatura crece lentamente hasta llegar a un equilibrio, pero no existe otro sensor de temperatura que nosotros mismos. Para que el sistema dejase de funcionar en lazo abierto, sería necesario medir la temperatura y compararla con otra de consigna o de referencia, considerada agradable al contacto. Si la temperatura medida es mayor que la de consigna, la llave de agua caliente tendría que cerrarse parcialmente de forma automática y la de agua fría se abriría parcialmente, esto sería necesario para reducir la temperatura a la vez que se mantiene el caudal. Posiblemente, la corrección sería excesiva y tendría que hacerse en sentido inverso, hasta que después de varias aproximaciones quedaría estabilizada la temperatura y el caudal. Si lo pensamos, esto es lo que hacemos manualmente, asumiendo la función del sensor de temperatura y del regulador de apertura de las llaves de paso.
Si en lugar de agua para la ducha se tratase de un disolvente industrial, la regulación en lazo abierto sería inadmisible, puesto que debe mantenerse la temperatura óptima sin oscilaciones, de ello dependerá su eficacia. Este es el problema que más dificulta una regulación: El tiempo muerto. Hay tiempo muerto siempre que el proceso responde con retraso, por ejemplo, al abrir la llave de agua caliente, el aumento de temperatura se manifiesta desués de que el agua ha recorrido la tubería y al abrir la llave de agua fría, la temperatura desciende solo cuando se ha consumido el agua caliente que ya estuviera en circulación. Una regulación rápida, precisa y sin oscilaciones, solo es posible cuando se puede predecir cómo responderá el proceso, de forma que se corrijan las desviaciones antes de que aparezcan, o de lo contrario ya será demasiado tarde.
Hay diversas formas de predecir la respuesta de un proceso, siendo la más exacta (y más difícil) la que se basa en su modelo matemático, pero la realidad es tan compleja que difícilmente se puede tener en cuenta todos los factores como son los desgastes, rozamientos, calentamientos, etc. La otra forma es utilizar un regulador que pueda ajustarse al proceso concreto que deberá controlar y su ajuste se conoce como sintonía de parámetros. Dicha sintonía es experimental y existen técnicas que van desde la prueba y error hasta el análisis matemático basado en datos extraídos experimentalmente del proceso.
El siguiente programa contiene dos ejemplos con los que experimentar una regulación en lazo abierto. Lo importante es que se comprenda la problemática de la regulación en general y porqué es tan importante el proceso y las variaciones que experimenta.
REGULACIÓN EN LAZO CERRADO.
Además de la dificultad de regulación en lazo abierto, el control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:
- Vigilar un proceso es especialmente durro en algunos casos y requiere una atención que el hombre puede
perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al
trabajador y al proceso.
- A veces la regulación manual requiere mmucha experiencia y esta es difícil de sustituir.
- Una producción a gran escala exige granndes instalaciones que el hombre no puede manejar. Cualquier
desviación produce grandes pérdidas tanto por exceso de consumo de materias primas o energía como por
disminución de la calidad del producto.
- Algunos procesos solo se pueden llevar a cabo por control automático como por ejemplo el cultivo de
microorganismos, medicinas, etc., y en general, todo proceso que no sea autorregulable.
El primer paso para poder regular es poder medir, por eso la evolución del control ha exigido el desarrollo de sensores y de las técnicas de medida y tratamiento de la señal. Actualmente se tiende a incluir dentro del propio sensor toda la electrónica que realiza el tratamiento de la señal.
En los dos ejemplos del programa anterior solo falta un regulador para cerrar el lazo. Dicho regulador recibiría la consigna del potenciómetro por una de sus entradas y la señal del sensor de medida por otra, llamada señal de realimentación. A partir de estas dos señales determinaría la señal de control, que se aplicaría al variador o a la válvula proporcional. Un variador de velocidad puede constituir por sí mismo el regulador, siempre y cuando tenga entrada para consigna y realimentación.
En la siguiente imagen puede ver otros dos ejemplos de regulación en lazo cerrado, esta vez de naturaleza mecánica y neumática. En el primer caso, la presión de control R es la encargada de regular el funcionamiento de una turbina y por transmisión mecánica se realimenta por el eje G. A medida que aumenta la velocidad, el pistón del regulador se desplaza a la derecha y también aumenta el caudal de drenaje D, cuyo aumento hace disminuir la presión de control R y con ello se corrige el aumento de velocidad. El desplazamiento del casquillo que abraza el pistón es la consigna que determina la velocidad que alcanzará la turbina, puesto que también afecta al caudal de drenaje. El primer regulador conocido, aunque con otro aspecto, tiene características parecidas y se aplicó en la regulación de velocidad de la máquina de vapor. Fué inventado por Watt y se ha convertido en el símbolo más característico en todo lo relacionado con la regulación.
El segundo caso de la figura anterior es un regulador de nivel de gran sensibilidad: El movimiento de la boya produce más o menos obstrucción en un chorro de aire o gas a baja presión. Esto se traduce en cambios de presión que afectan a la membrana de la válvula de paso, haciendo que se abra más cuanto más cerca se encuetre del nivel máximo.
En la siguiente figura tenemos un montaje para regulación de velocidad. El lazo cerrado se establece en el variador de velocidad pero la consigna se determina en el programa de un autómata. Si la regulación funciona correctamente, el variador devuelve al autómata una señal de buen funcionamiento. La energía también es controlada por el autómata y uno de los contactos del contactor se utiliza como señal de retorno con la que se verifica si realmente ha sido alimentado el variador. La consigna que recibe el variador puede ser una señal analógica o un dato que se pasa a través de una conexión en serie o una red de comunicaciones a la que estarán conectados el autómata y el variador. Hoy en día existen servomotores con una inercia tan pequeña que son capaces de aumentar su velocidad de 0 a 2000 revoluciones en milésimas de segundo.
DIAGRAMAS DE BLOQUES.
Se utilizan para representar gráficamente la relación que existe entre los componentes de un sistema, lo que veremos con un ejemplo de regulación de nivel en lazo cerrado. En el siguiente esquema, un comparador se encarga de hacer la diferencia entre la consigna del potenciómetro y la señal de realimentación o medida del sensor. Esta diferencia se denomina señal de error y es la única información que utiliza el controlador para regular el proceso. La ley de regulación más simple es la que iguala la salida del controlador (señal de control) con la señal de error, o bien un valor proporcional a la señal de error. El amplificador o variador, junto con el motor y bomba, convierten la señal de control en un caudal Q1 que es proporcional a dicha señal. A medida que el nivel aumenta crece el caudal de salida Q2 y la diferencia entre caudales disminuye. Al aumentar el nivel, medido por un sensor, hace que aumente la señal de realimentación y la señal de error disminuye. Cuando la medida y la consigna llegan a ser iguales, el error es 0 y el controlador transmite una señal de control que también será 0.
Esta ley de regulación proporcional al error tiene un defecto del que tal vez se haya dado cuenta: El equilibrio se alcanza cuando Q1 y Q2 son iguales. Como estos caudales no son 0, el error tampoco será 0 en ningún momento, ya que tiene una relación directa con Q1 (son proporcionales). Por lo tanto, existe una falta de precisión que no se resuelve con una ley proporcional. La ley de regulación debe permitir que el error se anule (se necesita precisión), debe anticiparse a los tiempos muertos que existan en el sistema, los cuales son la principal causa de inestabilidades (oscilaciones en torno al punto de equilibrio), debe hacer que el sistema alcance el punto de consigna en el menor tiempo posible, debe contrarrestar las perturbaciones que afecten a la regulación, debe seguir fielmente a la señal de consigna aunque ésta sea variable... demasiadas especificaciones a cumplir con tan escasa información: el error. Sin embargo, ¡es posible!