Tema # Contenido C CP L T

Sistemas de Control 1
Conferencia #1




Introducción a la asignatura.
Definiciones y conceptos básicos.
Clasificación de los sistemas de control.
Ejemplos.
Bibliografía: - Modern Control Engineering, K. Ogata Pgs. 1-12
INTRODUCCIÓN:
¿Cuál es el objetivo fundamental del profesional de la carrera de Ingeniería en Automática?
 Sistemas de Control
Procesos
Medios técnicos
 Es un Ingeniero de explotación que participa en tareas de diseño.
 Su objeto de trabajo son los sistemas de
instrumentación y control
electrónica
computación aplicada
Sus funciones son:
• Seleccionar los medios técnicos de automatización.
• Diseñar sistemas de control.
• Operar (mantener, instalar, poner a punto) sistemas de control.
• Identificar, modelar y simular sistemas de control.
La asignatura tiene como objetivo
estudiar:
Métodos de análisis y diseño de los sistemas de control lineales, continuos,
determinísticos e invariantes en el tiempo.
Tema #
Contenido
1. Introducción. Conceptos básicos.
2. Análisis temporal.
3. Análisis frecuencial.
4. Diseño de sistemas de control.
5. Sistemas de control especiales.
C CP L T
6 2 - 8
14 8 6 28
10 4 2 16
6 6 2 14
8 4 2 14
Sistema de evaluación:
2 pruebas parciales (temas 1-2 y 3-4)
6 laboratorios
Examen final
Bibliografía:
•Modern Control Engineering; K. Ogata
•Principles and Practice of Automatic Process Control; Smith y Corripio
•Automatic Control Systems; B.C.Kuo
¿Por qué se controla?
•Mantener o mejorar la calidad de un producto.
•Hacer más eficiente el proceso.
•Asegurar la seguridad del personal y la planta.
• Liberar al hombre de procesos rutinarios y tediosos.
DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOS:
Control: acción de actuar sobre un objeto o proceso para mantener o cambiar su estado
según un valor deseado.
Sistema: combinación de componentes que actúan conjuntamente para lograr un objetivo
determinado.
Perturbación (carga): señal que tiende a afectar la salida del sistema y sobre la cual el
sistema no actúa.
Sistema controlado: objeto o proceso sobre el que se actúa.
Variable controlada: variable del proceso cuyo valor el sistema de control debe mantener
o controlar.
Referencia (valor deseado, punto de consigna, valor prescrito): valor deseado de la
variable controlada.
Sistema de control en lazo abierto y en lazo cerrado:
Sistema de control en lazo abierto:
La salida del sistema no tiene efecto sobre la acción de control (no se mide ni se
retroalimenta).
C(t)
Mando
Control
Elemento de acción final
Sistema controlado
Para cada mando o entrada corresponde una operación determinada.
La exactitud del control depende de la calibración.
Ejemplos: hornillas eléctricas o de gas
horno de cocina de gas
lavadoras
semáforos
ventiladores
Si ocurre una perturbación, el sistema de control no corrige su efecto.
No presenta problemas de estabilidad.
Sistema de control en lazo cerrado:
• manual
• automático
Manual:
• El
operario detecta el nivel del
tanque y lo controla abriendo o
cerrando la válvula.
F
e
• No
puede asegurarse un control
preciso.
h
F
R
s
El diagrama de bloques:
referencia
nivel
cerebro
músculo y válvula
ojos
tanque
Automático:
referencia
Fe
h
Fs
R
El diagrama de bloques:
referencia
contr
oladoAlgoritmo
de
r
contro
l
Válvula
tanque
nivel
flotante
Comparación de los sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado:
Lazo abierto:
• No adecuado cuando el proceso presenta perturba-ciones.
• La exactitud depende de la calibración.
• No tiene problemas de estabilidad.
Lazo cerrado:
• Se utiliza en procesos que pueden presentar perturbaciones.
• La exactitud depende de las características del proceso, de la acción de control y del tipo
de perturbación.
• Pueden presentar problemas de estabilidad.
Diagrama de bloques de un sistema de control automático de lazo cerrado:
n(t)
controlador
r(t)
e(t)
Algoritmo de
control
u(t)
Elemento de
Acción final
m(t)
Proceso
c(t)
b(t)
Medidor
r(t): señal de referencia, valor deseado, punto de consigna, valor prescrito (set point)
e(t): señal de error
e(t) = r(t) – b(t)
u(t): señal de control
m(t): variable manipulada
c(t): variable controlada
b(t): variable medida
n(t): señal perturbadora, perturbación, carga
Formas de funcionar los sistemas de control en lazo cerrado:
Control regulatorio (que la variable controlada se mantenga en todo instante igual a la
referencia).
Control lógico secuencial (control de operaciones por tiempo o por valores límites).
Componentes típicos del control regulatorio:
•Sensores
continuos de magnitudes físicas: velocidad, desplazamiento, tensión,
temperatura, pH, etc.
•Controlador PID
•Actuadores de regulación: válvulas y variadores.
Controles lógico secuenciales típicos:
•Control de semáforos.
•Control de ascensores o elevadores.
•Control de puesta en marcha y parada de máquinas y procesos continuos.
•Control de procesos por lotes.
•Control de procesos de envasado.
•Control de lavadoras.
Componentes típicos del control lógico secuencial:
•Controlador de lógica alambrada (a relé electromagnético o compuertas de estado sólido).
•Autómatas programables (PLC).
•Sensores de valores límites.
•Conmutadores de valores límites (limit switches).
•Actuador de solenoide, actuadores de giro.
El control regulatorio puede actuar como:
•Servomecanismo: la referencia es variable y la variable controlada debe seguirla en todo
momento.
Ejemplos: controles de posición, perfiles de temperatura, etc.
•Regulador: el sistema debe compensar el efecto de la perturbación sobre la variable
controlada, haciéndola retornar al valor de la referencia.
Ejemplos: controles de temperatura, presión, caudal, nivel, pH, etc., en la industria de
procesos.
Señales típicas en los sistemas de control:
4 –20 mA
Señales eléctricas
1 – 5V
Señales neumáticas
3-15 lbf/pg2 (psi)
0,2-1 kgf/cm2
20-100 kPa
EJEMPL.OS
Control de pH en un ingenio azucarero:
Diagrama de Bloques.
jugo
controlador
pH deseado
_
-
Algoritmo
de
control
Válvula
pHmetro
peróxido + ácido
fosfórico
Tanque
pH
Para atenuar el efecto de las variaciones del flujo de jugo sobre el pH, se puede agregar un
control anticipatorio:
jugo
peróxido + ácido
fosfórico
Gca(s)
Algoritmo
de
control
pH deseado
_
+
+
Tanque
Válvula
pH
pHmetro
Control de Temperatura en un Reactor Químico:
3
 deseada
-
C
T
F1
Camiseta
Válvula
Fa
1
Vaso
2
4
termómetro
Si hay una perturbación en 3, debido a las constantes de tiempo del proceso, el sistema
demora mucho en corregirla; cuando la corrige, su efecto en 2 ha sido apreciable.
Para atenuar este efecto, se agrega un lazo de control interno adicional (control en cascada):
CT
3
F
1
1
d
C
T
C
T
-
-
Válvu
la
Camiset
a
Fa
2
Vaso
4
termómetro
termómetro
Sistema de control adaptativo:
Modelo de
referencia
+
Mecanismo
de ajuste
r(t)
control
válvula
+medidor
proceso
c(t)