1. Introducción al Control Automático

1.
1.
Introducción al Control Automático
Introducción al Control Automático ______________________________1
1.1. Idea de Control ________________________________________________________________________________________________ 2
1.2. Objetivos del Control __________________________________________________________________________________________ 13
1.3. Historia _____________________________________________________________________________________________________ 17
1.4. Componentes del Lazo ________________________________________________________________________________________ 21
1.5. Tipos de Control ______________________________________________________________________________________________ 25
1.6. Ejemplos ____________________________________________________________________________________________________ 30
01 Introducción.doc 1
1.1. Idea de Control
- tener el control
- control sobre un automóvil
- control de temperatura de una sala
Bases de nuestro curso:
Necesidad del conocimiento del sistema o proceso a controlar
Estudio de técnicas para el control
Cantidad muy grande de sistemas controlados en forma automática:
Sistemas diseñados por el ser humano:
control de velocidad, posición, nivel, temperatura
En seres vivos
control de presión de sangre, temperatura, cantidad de azúcar, diámetro de
pupilas.
01 Introducción.doc 2
Control con realimentación: caso especial.
ejemplo heladera o caldera
01 Introducción.doc 3
Históricamente se utilizaba el control automático para reemplazar tareas humanas
Hoy es usado para:
- aumento y constancia (repetitibilidad) en la calidad
- mejor rendimiento
- menor desperdicio y reprocesado de productos
- menos contaminación
- mayor margen de seguridad
- menor consumo de energía
Reducción de 2-10% en los costos operativos representan un monto anual muy
importante.
01 Introducción.doc 4
- No es fácil controlar un proceso
- La entrada afecta a la salida pero la salida afecta la entrada
- Es fácil y barato obtener un control de bajo rendimiento
Un control de alto rendimiento es caro y requiere:
- conocimiento acabado del proceso
- conocimiento de su dinámica
- comprensión de la teoría de control
- buenos sensores
- computadoras rápidas
Muchas veces no se sabe cuánto cuesta pasar de un control simple a uno más
sofisticado
Muchas veces no se sabe cuál es el beneficio de pasar de un control simple a
uno más sofisticado
01 Introducción.doc 5
- ¿Cuáles son los impedimentos para lograr un buen control?
• Hardware (no es un problema)
- comunicaciones rápidas
- velocidad de procesamiento
- flexibilidad
- software amigable
• Sensores y Actuadores ( sí es un problema)
- muchas veces no se comprende lo importante que es esto
- a veces no existen sensores
- o son muy lentos
• Tiempo (si)
- se necesita muchas horas hombre calificadas para estudiar el problema
- diseño, implementación, ajuste es tiempo calificado
01 Introducción.doc 6
• Cultura (si)
- Nivel gerencial
o hay que demostrar que se gasta 100K$ para ahorrar 500K$/año
o es difícil cuantificar y clasificar el beneficio
o los gastos en control no se ven (algoritmos, líneas de código, teoría)
- Gente de Proceso y Control
o el control no es fácil
o se debe pensar más allá del pensamiento actual
o a veces las herramientas de diseño no son fáciles de usar
- Operadores
o el nuevo control no te va a echar, te va a hacer la vida más fácil
o hay que hacer las cosas diferentes para conseguir mejores resultados
- Docentes
o ir más a la práctica
o unir la teoría sofisticada con la aplicación
01 Introducción.doc 7
El ingeniero de control pasará de diseñar controladores a diseñar procesos
01 Introducción.doc 8
Beneficios del Control
- Baja escala: mejoras de bajo costo para muchos reguladores de bajo nivel
o gasto en educación básica de control
o gasto de horas-hombres de personal de control y procesos
- Alta escala: cambios costosos para pocos lazos pero con un alto rendimiento.
o regulación compleja
o supervisión
o optimización
- Recordar: hay que cuantificar los beneficios!!
- Cálculo de la tasa de retorno. Deseable: < a un año
01 Introducción.doc 9
- ¿Cómo abordar un problema de control complejo?
- Conformar un equipo de trabajo
o
multidisciplinario: procesistas, controleros, instrumentistas, operadores,
gerentes.
- - Definir la situación actual:
o ¿qué comportamiento exactamente tenemos hoy en día? ¿cómo lo medimos?
- Listar las mejoras a introducir
o ¿cuál es la mínima mejora aceptable?
- Cuantificar los beneficios
o ponerlos en cifras $$
o calcular la tasa de retorno
- Elegir un método de diseño y solución acorde
o hay muchos para elegir
o el método en sí no influye en el costo pero puede traer dolores de cabeza
01 Introducción.doc 10
- Implementación
o pensar en una rápida prototipación para reducir costos y tiempo
o pensar en herramientas para depuración (graficación, acceso a variables)
- Verificación de resultados
o importante para futuros proyectos
o escribir todo
o hacerlo circular entre gerentes y supervisores
01 Introducción.doc 11
La industria tiene músculos
El control brinda la destreza para manejar esos músculos
01 Introducción.doc 12
1.2. Objetivos del Control
Hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculando una señal de entrada (u).
Se debe cumplir esto independiente de
- d e perturbaciones de entrada
- d s perturbaciones de salida
- Ĝ imprecisión en el conocimiento de la planta
Ejemplo:
"mantener el caudal de salida de una bomba teniendo en cuenta variaciones de fricción del fluido con la temperatura, variaciones del caudal de entrada, una medición
poco precisa y que no se conoce exactamente las características de la bomba"
01 Introducción.doc 13
En todos los casos se debe calcular u
01 Introducción.doc 14
- Control con Realimentación
Se usa para:
- Regulación: controlar un sistema para mantener una condición inicial o estado cero
- Seguimiento de referencia: el sistema debe seguir una trayectoria con cierta especificación. Muy común en sistemas mecánicos
- Rechazo de perturbaciones: el sistema debe ser inmune a variaciones de carga u
otro tipo de cambios. Común en control de procesos.
- Generalmente se necesita una combinación de todas llegando a un compromiso.
- El conocimiento del procesos es la clave para la solución de los problemas de
control
- Utilizar la lógica para analizar los problemas
- Describir los procesos en diagramas de bloques y modelos
- La técnica de diseño del control (Ziegler-Nichols, LQG, H ∞ ) es de relevancia secundaria.
01 Introducción.doc 15
- Estabilidad
un sistema es estable cuando es atraído y permanece en un punto de equilibrio
- Estabilidad marginal
el sistema tiene una oscilación sostenida
- Inestabilidad
- el sistema tiene una oscilación creciente o crece constantemente
- El control puede
- estabilizar un sistema inestable o marginalmente estable
- desestabilizar un sistema estable
- mejorar la velocidad de respuesta
- reducir el efecto de las perturbaciones
- reducir el efecto de las incertidumbres
01 Introducción.doc 16
1.3. Historia
- Control de nivel
Sensor y actuador coinciden
01 Introducción.doc 17
- Control de Temperatura (1620)
- Control de Velocidad de Rotación (1788)
Máquina de Watt
bolas girando a diferentes diámetros
se utilizan como sensor de velocidad
varían la salida de vapor
01 Introducción.doc 18
01 Introducción.doc 19
- Teoría
J.C. Maxwell – 1868 – On Governors – ecuaciones diferenciales, linealización,
estabilidad, ecuación característica.
E. J. Routh – 1877 – gana premio Adams con su criterio de estabilidad.
A. M. Lyapunov – 1892 – estabilidad (recién se utilizó en control a partir de
1958)
H. Nyquist – estabilidad en frecuencia
H. W. Bode (1945) amplificadores realimentados – análisis frecuencial – impacto
de las comunicaciones
Callender (1936) PID para procesos industriales
Wiener (1930) procesos estocásticos
Kalman y Bellman 1950 – optimización y filtrado
Pontryagin – variables de estados (edo) control óptimo
Moscu – 1960 – nace IFAC
AADECA – Argentina – 1960 - miembro fundador de IFAC
01 Introducción.doc 20
1.4. Componentes del Lazo
- Descripción de elementos:
Planta
Actuador
Sensores
Referencia
Perturbación
01 Introducción.doc 21
01 Introducción.doc 22
- Planta
proceso o elemento a controlar
- Sistema
conjunto de elementos que interactúan
- Entrada
variable del sistema que es posible manejar
- Salida
variable del sistema que es necesario comandar
- Referencia
valor al cual debe llegar la salida
- Perturbación
efecto que altera las condiciones de un proceso
- Sensor
dispositivo que permite medir una magnitud
01 Introducción.doc 23
- Regulador
elemento del sistema utilizado para generar la entrada del sistema.
01 Introducción.doc 24
1.5. Tipos de Control
- Lazo Abierto
más estable
adecuado cuando se conoce el sistema y las perturbaciones de antemano
necesita menos potencia
más económico
01 Introducción.doc 25
- Lazo Cerrado
01 Introducción.doc 26
01 Introducción.doc 27
Usa realimentación
menos sensible a perturbaciones
tendencia a sobre corregir errores y a inestabilizar el sistema
01 Introducción.doc 28
- Control Directo e Indirecto
control directo: se controla directamente la variable que se desea corregir
control indirecto: se controla otra variable que influye a la principal.
Es mejor el control directo.
Es importante la elección de las variables de control.
- Control Adaptativo
se ajusta frente a cambios en la planta
- Control Con Aprendizaje
aprende en forma heurística la ley de control
01 Introducción.doc 29
1.6. Ejemplos
- Control de Presión
01 Introducción.doc 30
- Control de Velocidad
01 Introducción.doc 31
- Control Numérico
01 Introducción.doc 32
- Control Digital
01 Introducción.doc 33
- Control de Tráfico
- Control de Sistemas Biológicos
- Control de Sistemas Económicos
01 Introducción.doc 34