Fundamentos de Control Industrial y Sistemas de Medición

1. Elementos de un Sistema de Control

Para el control de un buque, se definen los siguientes componentes:

• Setpoint: Establece el ángulo de inclinación deseado para el buque.
• Transductor: Convierte la orden mecánica en una señal eléctrica de control.
• Comparador: Resta algebraicamente la señal de consigna y la señal de inclinación real medida por el sensor.
• Controlador: Procesa la señal de error (normalmente mediante PID) para calcular la acción correctora necesaria.
• Actuador: Transforma la señal eléctrica de control en un movimiento mecánico.
• Planta / Proceso: Representa el comportamiento físico del barco interactuando con el mar.
• Sensor / Transductor: Mide constantemente el ángulo físico real de oscilación lateral del barco respecto a la vertical y traduce esa magnitud a una señal eléctrica.
• Perturbación: Fuerza externa incontrolable.

2. El Controlador PID

Un controlador PID es un algoritmo de control por realimentación que calcula de forma continua una señal de error (e(t)) como la diferencia entre una variable de proceso deseada (Setpoint, SP) y una variable medida (PVm). El controlador actúa sumando tres acciones distintas sobre la señal de control (CO(t)) para reducir dicho error a cero:

• P (Proporcional): Proporciona una respuesta inmediata y proporcional a la magnitud del error actual. Aumentar Kp incrementa la velocidad de respuesta del sistema y reduce el error en régimen permanente.
• I (Integral): Elimina por completo el error en régimen permanente (e{ss} = 0) ante entradas o perturbaciones tipo escalón. Suma el error acumulado a lo largo del tiempo; mientras exista error, la acción integral seguirá aumentando para forzar al actuador. Su inconveniente es que ralentiza la respuesta e introduce sobreimpulso (overshoot).
• D (Derivativo): Se anticipa al comportamiento futuro del error evaluando su tendencia. Produce un efecto de frenado o amortiguamiento en la respuesta transitoria, reduciendo drásticamente las oscilaciones y el sobreimpulso.

3. Parámetros de Autopiloto

• Rudder Gain: Equivale a Kp. Determina cuántos grados de timón se aplican por cada grado de error de rumbo.
• Counter-Rudder Gain: Equivale a Td. Evalúa la velocidad angular con la que el buque está cayendo hacia una banda. Su misión es ordenar timón en sentido contrario al giro antes de alcanzar el rumbo fijado.
• Yawing / Weather: Equivale a un filtro no lineal de zona muerta. Establece un margen de tolerancia (ej. ±1.5º) en el cual el autopiloto ignora el error para evitar que el servotimón responda a oscilaciones rápidas provocadas por el impacto de las olas.

4. Métodos de Ajuste PID

Con G(s) (Modelado Matemático)

El ajuste se realiza mediante métodos analíticos y herramientas frecuenciales:

• Lugar de las Raíces (RLOCUS): Permite ubicar los polos en lazo cerrado para garantizar estabilidad asintótica y cumplir requisitos de rapidez (ts) y sobreimpulso (Mp).
• Métodos Frecuenciales (Diagramas de Bode y Nyquist): Se diseñan las acciones del PID para dotar al lazo de márgenes de seguridad frente a la inestabilidad.

Sin G(s) (Identificación Experimental)

Se utiliza el Método de la Curva de Reacción (Ziegler-Nichols en Lazo Abierto). Se extraen tres parámetros críticos de la curva en forma de "S": la ganancia estacionaria (K), el retardo de transporte (θ) y la constante de tiempo dominante (τ). Estos valores se aplican en las tablas de Ziegler-Nichols para calcular los parámetros del controlador.

5. Filtros en Sistemas de Control

1. Filtro pasabajos: Elimina ruido y vibraciones de alta frecuencia para evitar que el actuador sufra movimientos violentos.
2. Limpieza de señal: Elimina interferencias electromagnéticas y vibraciones del casco, garantizando una señal suave.
3. Suavizado de consigna: Transforma cambios bruscos del operador en rampas progresivas, evitando el choque derivativo en los servomotores.

6. Servomotores de Corriente Continua (CC)

Un servomotor de CC es un actuador electromecánico compuesto por un motor, un sistema de reducción de velocidad, un sensor de posición y un circuito de control. Se utilizan para posicionar con alta precisión aletas estabilizadoras, válvulas de control o sistemas de gobierno.

7. Encoders: Tipos y Funcionamiento

• Encoder Incremental: Utiliza un disco con ranuras y sensores ópticos para generar trenes de pulsos. Requiere un pulso de referencia (Z) para calibrarse tras un corte de energía.
• Encoder Absoluto: Utiliza un patrón de códigos binarios (habitualmente Código Gray) para identificar la posición exacta de forma inequívoca, incluso tras perder la alimentación.

8. Resolución vs. Precisión

• Resolución: Mínima variación de la magnitud física que el transductor es capaz de detectar.
• Precisión: Capacidad del transductor para entregar lecturas cercanas al valor real, definiendo el error máximo permitido.

9. Termopares vs. PT100

• Termopar: Basado en el Efecto Seebeck. Robusto, ideal para altas temperaturas (gases de escape), pero menos preciso.
• PT100: Basado en la variación de la resistencia eléctrica del platino. Extremadamente precisa y lineal, pero más frágil y con rango limitado.

10. Transductores y Efecto Venturi

El Efecto Venturi se utiliza en transductores de caudal por presión diferencial. Al estrechar la sección de una tubería, la velocidad aumenta y la presión disminuye (Principio de Bernoulli). La medida se obtiene mediante la fórmula: Q = Kv * √ΔP, donde ΔP es la diferencia de presión entre la entrada y la garganta.