1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DE LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL
NÚCLEO COJEDES - TINAQUILLO
Profesor Bachiller:
Che Paredes Pedro Luis Rengifo
C.I: 19356445
Ing. Mecánica
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2. ÍNDICE
Objetivos……………………………………………………………………pag.3
Introducción…………………………………………………………………pag.4
Válvula De Control…………………………………………………………pag.5
Partes De La Válvula De Control…………………………….….pag.5 - pag.6
Clasificación De Las Válvulas…………………………………...pag.6 - pag.7
Especificación De Válvulas………………..………………………………pag.7
Tipos De Cuerpos De Las Válvulas De Control……………..…pag.7 - pag.8
Dimensionamiento De Válvulas De Control…………….…….pag.9 - pag.12
Acción De Una Válvula De Control……………………………………..pag.13
Acciones De Control…………………………………………...pag.13 - pag.15
Control Proporcional (P)………………………………………………….pag.15
Control Proporcional + Integral (Pi)……………………………………..pag.16
Control Proporcional + Derivativo (Pd)…………………………………pag.17
Control Proporcional + Integral + Derivativo (Pid)…………………….pag.18
Ajuste De Controladores………………………………………pag.18 - pag.20
Conclusión…………………………………………………………………pag.21
Anexos……………………………………………………………………..pag.22
Bibliográfia………………..……………...……………………………..…pag.23
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3. Objetivos
Objetivo general
Analizar la metodología cómoda y práctica para el aprendizaje de
sistemas lineales en general, con especial énfasis en la medición y
control de sistemas de control
Objetivos específicos
 Hacer las investigaciones pertinentes sobre controladores
 Enfocarse en los principios de funcionamiento de las válvulas de
control y controladores
 Estudiar por medio de ejemplos de aplicación, práctica y gráfica
que permitan visualizar de mejor manera los conceptos
involucrados
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4. INTRODUCCION
La importancia de los sistemas de control en nuestra vida diaria es
tan crítica que sin ellos la vida sería complicada. Sistemas de control
automático simples pueden encontrarse en cada rincón de una casa, el
control de flujo automático de agua en la cisterna y el sistema automático
de llenado en la taza de baño, por citar algunos. A medida que los
sistemas tienen más ingeniería son sorprendentes. En el hogar podemos
tener un sistema automático que encienda de manera automática la
bomba para llenar el tinaco; en los coches tenemos controles en la
velocidad de crucero, es decir, se mantiene una velocidad fija en el auto
de manera automática sin importarle la pendiente de la carretera, existe
un sistema de control en los frenos conocido como ABS (Antilock Brake
System), otro para el control de temperatura y demás; en los aviones
existen controladores para mantener un determinado ángulo de subida o
bajada del avión; y aplicaciones de control las podemos encontrar en
naves espaciales, robots, fábricas y en prácticamente cualquier sistema.
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5. VÁLVULA DE CONTROL
Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual
se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o
gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma
parcial uno o más orificios o conductos.
Las válvulas son unos de los instrumentos de control más
esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas
pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar
una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los
más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de
pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con
presiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y
temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas
instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o
escurrimientos no tienen importancia.
La válvula automática de control generalmente constituye el último
elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se
comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con
la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.
PARTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL.
Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son:
la parte motriz o actuador y el cuerpo.
• ACTUADOR: el actuador también llamado accionador o motor, puede
ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos
primeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones.
Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son
accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan
básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se
muestra en la figura (1-a.). Lo que se busca en un actuador de tipo
neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula
corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta
que la gama usual de presión es de 3 a
15 lbs/pulg² en la mayoría de los actuadores se selecciona el área del
diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de
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6. presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al
100% del total de la carrera.
CUERPO DE LA VÁLVULA: este está provisto de un obturador o tapón,
los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la
válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o
roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar
la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en
la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido
por medio de un vástago al actuador.
CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS.
Aunque la gran variedad de diseños de válvulas produce cualquier
clasificación, la mayoría de los diseños podrían ser considerados como
modificaciones de los dos tipos básicos:
- Tipo compuerta.
- Tipo globo o esfera (retención).
Si las válvulas estuviesen clasificadas de acuerdo a la resistencia que
ofrecen al flujo, las válvulas tipo compuerta se podría decir que son de
baja resistencia y las de globo son de alta resistencia.
Otra forma de clasificar las válvulas sería considerando la manera de
producir el cierre, y las clasificaríamos en:
1. Válvulas de asiento.
- Con movimiento de rotación o charnela.
- Con movimiento rectilíneo.
2. Válvulas de desplazamiento.
-A rotación, robinetes, llaves, etc.
-A traslación, válvulas de compuerta.
3. Válvulas de mariposa.
Ahora bien, si nos fijamos en el sistema de accionamiento tendríamos:
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7. 1. Válvula de asiento con disco normal.
2. Válvula de asiento con disco de tapón.
3. Válvula de asiento con disco metálico.
4. Válvula de asiento con disco de aguja.
5. Válvula de asiento con guías.
Especificación de válvulas
Especificar una válvula de control implica determinar las
características de:
Cuerpo e internos: indicando el tipo, material y serie que se
fija de acuerdo al servicio que debe prestar. También hay
que indicar el diámetro que está relacionado con la
capacidad y a esto se lo denomina dimensionamiento. Por
último, algunos tipos de válvula permiten elegir la
Característica de Flujo.
Actuador: una vez conocidos los detalles del cuerpo se debe
elegir el tipo de motor (neumático de cabezal o pistón,
eléctrico, etc.), la acción ante falla y el tamaño.
Accesorios: corresponde a elementos adicionales como
transductores I/P o V/P, volante para accionamiento manual,
posicionador, etc.
Tipos de cuerpos de válvulas de control
Existen diversos tipos de cuerpos, que se adaptan a la aplicación.
Los que más se emplean en la práctica industrial se muestran en la tabla
siguiente. Teóricamente el tipo debe adoptarse en función de las
necesidades del proceso, aunque a veces hay razones, económicas por
ejemplo, que obligan a usar un tipo aunque éste no sea el más adecuado.
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8. TIPO CARACTERÍSTICA
 Alto costo en relación al Cv
 Aplicación limitada para fluidos con
partículas en suspensión
 Diámetros hasta 24 pulgadas
Globo  Disponible en diversos modelos (simple y
doble asiento, guiado en caja, etc.)
 Existen tipos especiales para aplicaciones
criogénicas, para vaporización, etc.
 Rangeabilidad 35:1 a 50:1
 Amplia disponibilidad de características de
flujo
 Buena disponibilidad para grandes
diámetros
 Bajo costo en la versión estándar
 Bajo costo en relación a Cv
 Característica igual porcentaje salvo
Mariposa diseños especiales del plato
 Susceptibles a cavitación y ruido
 Baja pérdida de carga
 Diámetros hasta 150 pulgadas
 El cierre hermético requiere de
recubrimientos especiales
Esférica (ball)  Característica igual porcentaje salvo que el
obturador tenga una sección especial
 Apta para el manejo de suspensiones muy
viscosas o con fibras y sólidos
Tapon (plug)  Requiere motores de gran tamaño
 Precisan posicionadores
 Deben ser extraídas de la línea para
mantenimiento
 Rangeabilidad típica de 50:1
 Ampliamente usadas para el manejo de
fluidos corrosivos o erosivos
 Construcción simple
Sauders  Cierre hermético y las partes móviles no
tienen contacto con el fluido
 Limitado rango para presiones y
temperaturas de trabajo
 Rangeabilidad entre 3:1 a 15:1
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9. Dimensionamiento de válvulas de control
Por dimensionamiento se entiende la determinación del tamaño de
la válvula, que viene dado por su diámetro. Es evidente que hay razones
económicas que hacen que esta tarea sea importante, hay que tratar que
este dispositivo tenga el menor tamaño (y por lo tanto el menor costo).
Pero también hay razones técnicas, ya que válvulas sobre dimensionadas
pueden llegar a tener un pobre desempeño cuando trabajan en un lazo de
control.
El método más aceptado para el dimensionamiento es conocido como el
Procedimiento de Cv. Cv es el Coeficiente de Flujo de la válvula y
depende del tipo, diámetro y grado de apertura de este Dispositivo.
Dimensionamiento de válvulas de control
Una vez seleccionado el tipo de válvula teniendo en cuenta los aspectos
enunciados anteriormente se la debe dimensionar.
La ecuación general de flujo de una válvula de control se obtuvo gracias a
los esfuerzos de Daniel Bernoulli y a pruebas experimentales
F = Caudal [gpm]
Cv = Coeficiente de dimensionamiento de la válvula. Determinado
midiendo el caudal de que circula a caída de presión constante a 60 F
P1 = presión aguas arriba
P2 = Presión aguas abajo
γ = Densidad relativa
Dimensionar una válvula significa determinar el diámetro del orificio de
manera que cuando deba circular el caudal normal mínimo y normal
máximo las aperturas se encuentren en el tramo intermedio de su carrera
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10. (entre el 30 y el 70 %). La apertura será del 100 % para el caudal máximo.
Con estas condiciones de cálculo se aseguran capacidad de regulación y
rangeabilidad adecuadas.
Procedimiento general para el dimensionamiento:
1. Determinar la caída de presión a través de la válvula ΔpV.
Hay dos situaciones para fijar el salto de presión:
a) La válvula se instalará en una línea existente. Planteando el balance de
presiones
(Teorema de Bernoulli) se puede conocer la distribución de presiones en
la línea dónde se montará la válvula. Se deben considerar las pérdidas en
equipos, accesorios y en el caso de órganos de impulsión la energía de
suministro. La diferencia entre la fuerza impulsora y la pérdida de carga
de la línea es lo que tiene disponible la válvula
b) La válvula estará enana línea nueva en la que se deben especificar los
sistemas de impulsión inclusive. Un heurístico propone que se establezca
en 50% de la caída de presión en la línea sin válvula (33% de la caída de
presión total).
2. Determinación de los caudales de operación
Se deben conocer (información del proceso) los caudales normales de
trabajo (máximo y mínimo):
FNmín, FNmáx. Al caudal máximo (válvula completamente abierta) se lo
puede calcular como el máximo que circularía si válvula estaría
completamente abierta. Se puede adoptar como estimación 1.25 veces el
caudal normal máximo.
3. Cálculo de Cv para líquidos
• Si la viscosidad cinemática es ≥ 20 cst el régimen es laminar y la
ecuación del coeficiente de descarga de la válvula es:
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11. • Si la viscosidad cinemática es ≤ 20 cst el régimen es turbulento y se
debe analizar:
Si hay riesgo de cavitación incipiente que se da para las válvulas con alto
coeficiente de recuperación de la caída de presión a las salida de la
misma respecto a la que se produciría en al vena contracta
Si el flujo es crítico (flasheo) ó subcrítico
Estas tres situaciones deben ser identificadas para la caída de presión
que debe utilizarse para el cálculo de CV de la válvula
Verificación de cavitación incipiente. La válvula cavitará si:
P1 = presión aguas arriba
PV = Presión de vapor del fluido a la temperatura de trabajo
KC= coeficiente de cavitación incipiente, suministrado por el fabricante
En este caso se usa la ecuación [1] para el cálculo de CV pero la caída
máxima de presión admisible será ( ) y este es el
valor que se usa.
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12. Acción de una Válvula de Control
Al especificar una válvula de control, la primera pregunta que debe
hacerse el ingeniero es ¿Qué debe hacerse con la válvula si falla la
energía? Esta pregunta se relaciona con la Posición de Falla o con la
Acción de la Válvula. La principal consideración al responder esta
pregunta es, o debería ser, la seguridad. Es decir, decidir si ante una falla
de energía la posición más segura de la válvula es que se coloque en una
situación completamente cerrada o completamente abierta.
Cuando la posición más segura de la válvula es la completamente
cerrada, el ingeniero debe especificar una válvula de Falla Cerrada (Fail-
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13. Closed, FC). En este tipo de válvula, el mecanismo requiere que se le
suministre energía para que abra, razón por la cual también se le llama
Válvula de Aire para Abrir (Air-toOpen, AO). Para cuando lo mas seguro
es que la válvula, ante una falla energética, se encuentre completamente
abierta. En este tipo de válvula, el mecanismo requiere que se le
suministre energía para que cierre, razón por la cual también se le llama
Válvula de Aire para Cerrar (Air-to-close, AC)
Acciones de control
Descripción de un bucle de control:
Un bucle de control por retroalimentación se compone de un
proceso, el sistema de medición de la variable controlada, el sistema de
control y el elemento final de control. Cada uno de estos
Elementos tiene su propia dinámica, que vendrá descrita por una función
de transferencia.
En este capítulo se explicará cómo se puede encontrar la función de
transferencia de todo un lazo de control a partir de las funciones de
transferencia de cada uno de los elementos del lazo.
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14. El medidor, el proceso y el elemento final de control serán habitualmente
sistemas lineales de primer o de segundo orden, como los descritos en
los dos capítulos anteriores. Las funciones de transferencia de los
controladores se detallarán más adelante en este capítulo.
El sistema de control se compone del controlador y del punto suma, que
compara la lectura del medidor con la consigna para dar el error! que
alimenta el controlador. El objetivo del sistema de control es minimizar el
error para que su valor sea lo más próximo a cero. Además debe lograr
eliminar los errores lo más rápidamente posible.
En el capítulo 1 se describe cualitativamente un bucle de control por
retroalimentación, un intercambiador de calor en una planta de
pasteurización de leche. En este capítulo se describirá el bucle de una
manera más detallada.
El proceso, en este caso el intercambiador de calor, viene descrito por la
función de transferencia
Gp. El proceso puede tener dos posibles entradas: f(t) que es la variable
manipulable y d(t) que representa a las perturbaciones. Las
perturbaciones pueden ser una entrada en cualquier punto del lazo de
control, pero normalmente son debidas al proceso. La respuesta del
proceso es la variable controlada que normalmente se indicará como y(t).
Esta variable es la respuesta global del sistema formado por todos los
elementos del lazo de control.
El valor de la variable controlada se mide con un sensor, un termómetro
de resistencia de tipo Pt100 para el ejemplo, cuya dinámica viene descrita
por la función de transferencia Gm.
Como salida de este proceso se obtiene la variable controlada medida
ym(t).
El valor de ym se compara con la consigna ysp(t) para obtener el error !(t).
El valor de la consigna será normalmente cero, en el caso de estar
definido utilizando variables de desviación.
Este error es la entrada del controlador, cuya función de transferencia es
Gc. Las respuesta del controlador c(t) es una intensidad de corriente o
una diferencia de presión según sea el sistema de transmisión de
información eléctrico o neumático.
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15. Control proporcional (P)
La acción de control c del controlador proporcional es:
Donde Kc es la ganancia proporcional del controlador y cs es el bias del
controlador.
La ganancia del controlador también se puede expresar mediante la
Banda proporcional, expresada como porcentaje:
Normalmente, La banda proporcional expresa el intervalo
del error para que el control se sature. Cuanto mayor es Kc, menor es BP
y mayor es la sensibilidad del controlador a los cambios o, lo que es lo
mismo, al error !
El bias del controlador es el valor de la acción de control cuando el error
es nulo.
La función de transferencia del controlador se obtiene realizando la
trasnformada de Laplace
Teniendo en cuenta que se ha utilizado como variable de desviación:
La acción de control proporcional es la más importante y se encuentra en
todos los sistemas de control.
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16. Control Proporcional + Integral (PI)
En este tipo de controlador la acción de control es:
Donde es el tiempo integral o tiempo de reset. Se suele expresar
como minutos por repetición y se suele encontrar entre 0.1 min
50 min. También se puede expresar como (repeticiones por minuto) y
Se conoce como la velocidad de es la ganancia del
controlador, tal como ocurría con el controlador proporcional. Al conjunto
a veces, se le conoce como la ganancia integral KI.
A se le conoce como el tiempo de reset porque es el tiempo
necesario para que el controlador repita la acción de control inicial:
Para un error constante con el tiempo, como por ejemplo, el debido a un
escalón. La función de transferencia de este tipo de controladores es:
El controlador PI actúa mientras exista error en la salida
produciendo cada vez valores mayores para la acción integral. Por tanto,
se deben tomar acciones especiales para evitar saturaciones en los
actuadores finales para errores persistentes con el tiempo
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17. Control Proporcional + Derivativo (PD)
Se define como:
Donde es la constante de tiempo derivativa. La acción de control
derivativa aplica una acción de control proporcional a la velocidad de
cambio del error. En cierta manera se anticipa al error futuro, por ello se la
conoce a veces como control anticipativo. En lugar de la constante de
tiempo derivativa se utiliza a veces la ganancia derivativa
Presenta el problema de que puede tomar acciones de control
derivativas intensas para sistemas con ruido pero con un error próximo a
cero, lo que implica que la acción de control no es necesario. Este
problema se puede solucionar añadiendo algún sistema de filtrado que
elimine ominimice el ruido.
Su función de transferencia es:
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18. Control Proporcional + Integral + Derivativo (PID)
Simplemente es la combinación de las tres acciones de control anteriores:
Y su función de transferencia es:
AJUSTE DE CONTROLADORES
Aún cuando se haya diseñado el sistema de control con algún
criterio previo es necesario hacer ajustes en campo cuando se instala el
controlador (tuning, sintonía). El ajuste por ensayo y error, si bien
requiere cierta experiencia, sigue siendo válido, y particularmente se
torna necesario cuando no se tiene mayor idea del modelo del proceso.
Muchas veces se parte de la base de algún proceso similar por lo que ya
se tiene una idea de los valores de los parámetros. Últimamente se han
desarrollado controladores adaptativos, esto es, que ajustan
automáticamente los valores de los parámetros.
Se pueden establecer ciertos lineamientos generales para los sistemas
más comunes encontrados en la industria de procesos:
• Control de flujo
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19. – Los lazos de control de caudales líquidos se caracterizan en general por
respuestas rápidas (del orden de los segundos), sin tiempo muerto o
delay. Las dinámicas comienzan a aparecer cuando se trata de fluidos
compresibles (gas, vapor) o debido a eventuales procesos inerciales en
líquidos.
– Los sensores y líneas de transmisión neumáticas pueden introducir
dinámicas significativas.
– Cuando las perturbaciones tienden a ser frecuentes pero de pequeña
magnitud, normalmente se trata de ruidos de alta frecuencia debidos a
turbulencias, cambios en válvulas, vibraciones en las bombas, etc.
– Por estos motivos en principio es conveniente utilizar controladores PI
(sin acción derivativa), con valores intermedios de Kc.
• Nivel de líquido
– Debido a la naturaleza “integradora” del proceso en general alcanza con
un control proporcional, con ganancia elevada, pues el propio sistema
tiende a amortiguar las oscilaciones.
– Puede usarse también la acción integral pero si pueden tolerarse
pequeños offsets no sería necesario.
– La acción derivativa normalmente no se emplea porque tiende a
amplificar los ruidos.
– Si el tanque se utiliza como fuente de alimentación para otro proceso, y
se utiliza la corriente de salida como variable de manipulación, se debe
ser conservador con el ajuste para evitar fluctuaciones.
• Presión de gas
– Debido a la naturaleza compresible del gas (cuando está en equilibrio
con el líquido puede ser más complicado) el proceso actúa como
autorregulado. Por lo tanto suele alcanzar con un control proporcional.
– Si se usa PI (porque es importante eliminar el offset), normalmente la
acción integral es pequeña (valor grande de I).
– Como normalmente los tiempos de residencia son bajos, las constantes
de tiempo involucrado suelen ser también bajas
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20. • Temperatura
– Dependiendo de la situación (p.ej. intercambiadores, reactores,
columnas de destilación, evaporadores) se pueden dar diferentes
dinámicas incluyendo delays. En general es necesario recurrir a PID.
• Composición
– También tienen en general dinámicas más complicadas y es necesario
recurrir a PID.
– El problema del ruido tiende a ser muy importante.
– Los delays debidos a los analizadores suelen ser significativos.
– Por tal razón la acción derivativa suele tener limitaciones y
eventualmente puede ser necesario recurrir a estrategias más complejas.
Ajuste por ensayo y error
1) Eliminar las acciones integral y derivativa seteando al máximo y
al mínimo.
2) Sintonizar Kc en un valor bajo (p.ej. 0.5) y prender el controlador.
3) Aumentar la ganancia con pequeños incrementos hasta
conseguir una oscilación continua o permanente (“ganancia última”).
4) Reducir dicha ganancia a la mitad.
5) Disminuir en pequeños incrementos hasta que alcanzar
nuevamente la oscilación continua. Sintonizar I en un valor tres veces
mayor.
6) Aumentar en pequeños incrementos hasta alcanzar nuevamente
la oscilación.
Sintonizar en un tercio de ese valor.
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21. CONCLUSIÓN
Las válvulas de control y los controladores son un componente
cada vez más importante de la manufactura moderna y del los procesos
en el mundo. La selección adecuada y mantenimiento de las válvulas de
control y los controladores permiten aumentar la eficiencia de los
procesos, la seguridad, rentabilidad y minimizar impactos nocivos a la
ecología.
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22. ANEXOS
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23. BIBLIOGRÁFIA
.
Internet
http://www.scielo.org.ve/scielo.
http://read.pudn.com
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http://isa.cie.uva.es
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