CONTROL DE PROCESOS I SEMANA Sistemas de Control de Lazo Abierto, Cerrado y Retroalimentación DOCENTE: Ing. Diego Vásconez Mg. OBJETIVOS • Distinguir los diversos elementos de mando y control que tienen aplicación a la industria. • Reconocer en un sistema las variables de entrada, de salida y de perturbación. • Distinguir un sistema de control en lazo abierto y en lazo cerrado. • Reconocer en un sistema de control, lazo abierto o cerrado, las variables de entrada, salida y perturbación. • Reconocer las tareas que se realizan en un sistema de control, y los elementos que lo integran. CONTENIDOS – Definiciones básicas – Sistemas de control en lazo abierto y lazo cerrado. – Tipos de control – Ejemplos ilustrativos de sistemas de control. Introducción a los sistemas de control Sistema de Control Los controles automáticos o sistemas de control constituyen una parte muy importante en los procesos industriales modernos, donde se les usa principalmente para regular variables tales como la presión, temperatura, nivel, flujo, viscosidad, densidad etc. Definición: Una definición de un sistema de control puede ser: “Es un arreglo de componentes físicos conectados de tal manera, que el arreglo pueda comandar, dirigir o regular a sí mismo o a otro sistema”. Introducción a los sistemas de control Ejemplo de un Sistema de Control. Control de nivel de un tanque de agua Introducción a los sistemas de control Ventajas de un control automático Las ventajas de un control automático son principalmente económicas, ya que permite: • Mejorar la calidad de los productos. • Disminuir los tiempos de operación. • Reducir la dependencia de operarios para manejar procesos. • Reducir costos de producción. Definiciones básicas Planta.: Es un equipo o conjunto de equipos que permiten realizar una operación determinada. Cuando se tiene un conjunto de equipos interactuando para generar un producto se tiene una planta industrial. Proceso: Está constituido por una serie de operaciones coordinadas sistemáticamente para producir un resultado final que puede ser un producto. Sistema: Es la combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. Definiciones básicas Variable de entrada: Es una variable del sistema tal que una modificación de su magnitud o condición puede alterar el estado del sistema. Variable de salida: Es una variable del sistema cuya magnitud o condición se mide. Perturbación: Es una señal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada. Ejemplos de sistema Motor DC Variables de entrada Variables de salida Perturbaciones Tensión de armadura Velocidad de giro del eje Posición del eje ¿Intensidad de armadura? Externa: par de carga Interna: temperatura dentro del motor Ejemplos de sistema Una habitación en la que se dispone de un calentador eléctrico que se puede encender o apagar, de un termómetro para medir la temperatura y de una puerta que puede estar abierta o cerrada Variables de entrada Variables de salida Perturbaciones Interruptor del calentador eléctrico Temperatura en la habitación Externas: • Temperatura del exterior de la habitación • Estado de la puerta Interna: Actividad de las personas dentro de la habitación Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado Ejemplos de sistemas con control: – Motor DC controlado por armadura • Objetivo: velocidad o posición deseadas • Variables de control: voltaje o intensidad de armadura • Perturbaciones: par de carga SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO Un sistema de control en lazo o bucle abierto es aquél en el que la señal de salida no influye sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de su calibración, de manera que al calibrar se establece una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada. El diagrama de bloque de un sistema en lazo abierto es: El sistema se controla bien directamente, o bien mediante un transductor y un actuador. El esquema típico del sistema será, en este caso El transductor modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada al sistema de control. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO Elemento control: de determina que acción se va a tomar dada una entrada al sistema de control Elemento corrección: de responde a la entrada que viene del elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la variable controlada al valor requerido Proceso: (o planta ) sistema al cual se le controlara la variable SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO Características: – No se compara la salida del sistema con el valor deseado de la salida del sistema (referencia). – Para cada entrada de referencia le corresponde una condición de operación fijada. – La exactitud de la salida del sistema depende de la calibración del controlador. – En presencia de perturbaciones estos sistemas de control no cumplen su función adecuadamente. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Regulación del volumen de un tanque. Los primeros son manuales pues requieren que una persona ejecute una acción que indique al sistema qué hacer. Para mantener constante el nivel del agua en el tanque es necesario que una persona accione la válvula cuando el caudal cambie. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Amplificador. Un ejemplo puede ser el amplificador de sonido de un equipo de música. Cuando nosotros variamos el potenciómetro de volumen, varia la cantidad de potencia que entrega el altavoz, pero el sistema no sabe si se ha producido la variación que deseamos o no. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Encendedor. Un simple elemento como el encendedor trabaja como sistema, ya que está constituido básicamente por una rueda estriada, una piedra, un envase que contiene el gas licuado, una válvula para regular la salida del mismo; ninguna de estas partes puede por sí sola conseguir el objetivo: producir fuego; pero si todas ellas funcionan adecuadamente en conjunto, es un sistema de lazo abierto ya que no importa si el fuego calienta el material a calentar de manera adecuada EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Semáforo. Un ejemplo de sistema de lazo abierto es el semáforo. La señal de entrada es el tiempo asignado a cada luz (rojo, amarilla y verde) de cada una de las calles. El sistema cambia las luces según el tiempo indicado, sin importar que la cantidad de tránsito varíe en las calles EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Horno de microondas En el horno de microondas las llaves o botones de control fijan las señales de entrada, siendo la elevación de la temperatura de la comida o la cocción la salida. Si por cualquier razón la temperatura alcanzada, o el tiempo de aplicación del microondas ha sido insuficiente, y como consecuencia la comida no ha alcanzado las condiciones deseadas, esto no altera el ciclo de funcionamiento; es decir que la salida no ejerce influencia sobre la entrada. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO Ventajas: Desventajas: – Fácil de implementar – Si existe un error en la salida, el control no lo compensa. – Sencillo – Económico – Si hay perturbaciones, el control no las compensa. – La efectividad depende de la calibración. – Necesita componentes precisos SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control de lazo cerrado. En la práctica, los términos control realimentado y control en lazo cerrado se usan indistintamente. En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida de realimentación (que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas o/y integrales) a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentando para reducir el error del sistema. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Elemento de comparación: Este elemento compara el valor requerido o de referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la salida, y produce una señal de error la cual indica la diferencia del valor obtenido a la salida y el valor requerido. Elemento de control: Este elemento decide que acción tomar cuando se recibe una señal de error. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Elemento de corrección: Este elemento se utiliza para producir un cambio en el proceso al eliminar el error. Elemento de proceso: El proceso o planta, es el sistema dónde se va a controlar la variable. Elemento de medición: Este elemento produce una señal relacionada con la condición de la variable controlada, y proporciona la señal de realimentación al elemento de comparación para determinar si hay o no error. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Por lo tanto podemos definir también los sistemas de control en lazo cerrado como aquellos sistemas en los que existe una realimentación de la señal de salida, de manera que ésta ejerce un efecto sobre la acción de control. El controlador está formado por todos los elementos de control y a la Planta también se le llama proceso SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Control Retroalimentado Operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia. Esta reducción se logra manipulando alguna variable de entrada del sistema, siendo la magnitud de dicha variable de entrada función de la diferencia entre la variable de referencia y la salida del sistema. Clasificación – Manuales: controlador operador humano – Automático: controlador dispositivo . Neumático, hidráulico, eléctrico, electrónico o digital (microprocesador) SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Manual Automático EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO Control iluminación de calles. El sistema de control, a través de un transductor de realimentación, conoce en cada instante el valor de la señal de salida. De esta manera, puede intervenir si existe una desviación en la misma. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO Sistema de iluminación de un invernadero. A medida que la luz aumenta o disminuye se abrirá o se cerrara el techo manteniendo cte. el nivel de luz. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO Sistema de refrigeración Un sistema de refrigeración en donde uno ingresa algún producto y el refrigerador nivela la temperatura, si ingresas algo caliente el refrigerador tendrá que producir más frio hasta conseguir la temperatura a la cual se desea tener el producto. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO Control de temperatura Un ejemplo sería el sistema de control de temperatura de una habitación. Midiendo la temperatura real y comparándola con la temperatura de referencia (la temperatura deseada), el termostato activa o desactiva el equipo de calefacción o de enfriamiento para asegurar que la temperatura, de la habitación se conserve en un nivel cómodo sin considerar las condiciones externas. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Ventajas: Desventajas: – Si existe un error en la salida el control lo compensa. – A veces implementar – Si hay perturbaciones el control las compensa. – Tiene más componentes que un control a lazo abierto. – Puede utilizar componentes imprecisos y baratos. – Utiliza más potencia. complicado para – Necesita sensores que pueden no ser económicos. ELEMENTOS DEL CONTROL EL COMPARADOR ELEMENTOS DEL CONTROL Actuador: es un elemento que recibe una orden desde el regulador o controlador y la adapta a un nivel adecuado según la variable de salida necesaria para accionar el elemento final de control, planta o proceso. Transductor: transforma una magnitud física en otra que es capaz de interpretar el sistema. Amplificador: nos proporciona un nivel de señal procedente de la realimentación, entrada, comparador, etc, adecuada al elemento sobre el que actúa. ELEMENTOS DEL CONTROL EL REGULADOR O CONTROLADOR Antiguamente el control de los procesos industriales se llevaba a cabo de manera manual: el propio operario realizaba los cambios adecuados en el sistema para obtener los resultados finales deseados.. Hoy en día, muchas aplicaciones automáticas utilizan el computador como elemento de control. El controlador o regulador constituye el elemento fundamental en un sistema de control, pues determina el comportamiento del bucle, ya que condiciona la acción del elemento actuador en función del error obtenido. La forma en que el regulador genera la señal de control se denomina acción de control. Algunas de estas acciones se conocen como acciones básicas de control, mientras que otras se pueden presentar como combinaciones de las acciones básicas. ESTRATEGIAS DE CONTROL 1. DE DOS POSICIONES (ENCENDIDO-APAGADO O MEJOR CONOCIDO COMO ON-OFF) 2. CONTROL PROPORCIONAL (si la salida es proporcional al error) 3. CONTROL DERIVATIVO (la salida es proporcional a la razón de cambio de la señal de error) 4. CONTROL INTEGRAL (la salida en el tiempo t es proporcional a la integral de error entre t=0 y t)
