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)