Dinámica Estructural

DINÁMICA ESTRUCTURAL
Sistemas de Control
¿QUÉ ES UN CONTROL?
Definición de control:
La palabra control proviene del término francés contrôle y significa comprobación,
inspección, fiscalización o intervención. También puede hacer referencia al dominio,
mando y preponderancia, o a la regulación sobre un sistema.
Definición de sistema:
Del latín sistema, un sistema es un módulo ordenado de elementos que se encuentran
interrelacionados y que interactúan entre sí. El concepto se utiliza tanto para definir
a un conjunto de conceptos como a objetos reales dotados de organización.
¿QUÉ ES UN CONTROL?
El control, por otra parte, es la oficina, el despacho o la dependencia donde se
controla. Por eso puede hablarse de puesto de control.
Al dispositivo que permite regular a distancia el funcionamiento de un aparato, se lo
conoce como control remoto (o mando a distancia). Este tipo de dispositivo posibilita
el manejo del televisor o del reproductor de DVD.
¿QUÉ ES UN CONTROL?
La torre de control, por otro lado, es un edificio en forma de torre desde donde se
controla el tráfico de un aeropuerto o de un puerto. La sala de control se sitúa en su
parte superior, ya que la ubicación y la altura de la torre son esenciales para la
visualización de la zona que se pretende controlar.
Otro tipo de control es el control de la natalidad, formado por los mecanismos de
limitación del número de nacimientos.
En cuanto al control de tracción, se trata de un sistema de seguridad automovilística
diseñado para prevenir la pérdida de adherencia del vehículo, que puede suceder
cuando el conductor acelera en exceso o cuando realiza un cambio violento en la
dirección.
¿QUÉ ES UN CONTROL?
Definición de sistema de control:
Es un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el
comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y
obtener los resultados deseados.
Por lo general, se usan sistemas de control industrial en procesos de producción
industriales para controlar equipos o máquinas.
SISTEMA DE CONTROL
MODELOS DE SISTEMAS DINÁMICOS
Definición de Modelo:
Medio para transferir alguna relación de su versión real a otra versión.
• Un modelo matemático de un sistema de control dinámico, es un conjunto de
ecuaciones que representan la dinámica del sistema con precisión.
(F.T. = Función de Transferencia)
• La representación de los problemas en los sistemas de control se lleva a cabo
mediante tres representaciones básicas o modelos:
1.- Ecuaciones diferenciales, integrales, derivadas y otras relaciones matemáticas.
2.- Diagramas de bloques.
3.- Gráficas en flujo de análisis (gráfica de flujo de señales).
ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL
Por acción básica se entiende que el controlador amplifique, integre o derive la
información de entrada o desarrolle una suma entre algunas de estas acciones.
De acuerdo a esto, los controladores que usualmente se incluyen dentro de un
proceso son los de acciones: Proporcional (P), Proporcional – integral (PI),
Proporcional – derivativo (PD) y Proporcional – integral – derivativo (PID).
Para algunas situaciones se justifica un control denominado de dos posiciones o de
encendido y apagado (On/Off).
ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL
Definición de Acción de Control:
Proceso mediante el cual hacemos que una variable física siga y obedezca a una
variable de referencia o comando.
Diagrama de bloques básico para representar un sistema de control:
ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL
Señal de Entrada: Es el estímulo que se aplica a un sistema de control desde una
fuente de energía externa, generalmente con el fin de producir de parte del sistema
de control, una respuesta especificada.
Señal de Salida: Es la respuesta real obtenida del sistema de control. Puede ser o no
igual a la respuesta especificada que la entrada implica.
TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL
Existen tres tipos básicos del sistema de control:
1.- Hechos por el hombre (Horno, elevador, calentador, lavadora, licuadora).
2.- Naturales incluyendo a los biológicos (Señalar, ver, sudar, caminar).
3.- Híbridos (Conducir un coche).
APLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROL
Aplicaciones contemporáneas de sistemas de control:
1.- Guía, navegación y control de proyectiles y naves espaciales.
2.- Aviones y barcos.
3.- En toda la industria de control de procesos que regula niveles de líquido en
tanques, concentraciones de productos químicos en tinas y espesores de material
fabricado.
ESTRUCTURA PARA ANALIZAR UN SISTEMA DE
CONTROL
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE
ACUERDO A SU CONFIGURACIÓN
1.- Sistemas de Control de Lazo ABIERTO (Open Loop).
2.- Sistemas de Control de Lazo CERRADO (Closed Loop).
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO
1.- Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open Loop).- Son aquellos donde la señal de salida
no tiene efecto sobre la señal de entrada, (no tienen retroalimentación).
Características:
• Son sencillos y de fácil concepto.
• Nada asegura su estabilidad ante una perturbación, no pueden sobreponerse a
perturbaciones internas o externas.
• La salida no se compara con la entrada.
• La referencia se establece en forma indirecta.
• La precisión depende de la previa calibración del sistema.
• No corrigen (no miden), no pueden ser inestables.
• Poco utilizados en la industria.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO
Ejemplo de Lazo Abierto, Proceso de lavado: El sistema de control no tiene
información del valor de la señal de salida. Por tanto, si se produce una desviación
entre el valor esperado y el valor real de salida, el sistema no podrá intervenir de
manera autónoma en su corrección.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
2.- Sistemas de Lazo Cerrado.- Son sistemas de Control retroalimentados en los que
la señal de error actuante e(t) que es la diferencia entre la señal de entrada, r(t) y
la señal de retroalimentación, b(t) entra al controlador de manera de reducir el error
y llevar la salida del sistema c(t) al valor deseado.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Características.-
• Se sobrepone a perturbaciones internas o externas
• La referencia representa exactamente el valor deseado en la variable controlada.
• La operación no depende de la calibración.
• Son sistemas complejos.
• Si mide y corrige, pero si esta mal diseñada puede corregir mal y el error puede
crecer (pueden ser inestables).
• Son los más utilizados en la industria.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Componentes básicos de un Sistema de Control de Lazo Cerrado:
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Ejemplo de Lazo Cerrado, Control de Iluminación de calles:
El sistema de control, a través de un transductor de retroalimentación, conoce en
cada instante el valor de la señal de salida. De esta manera, puede intervenir si
existe una desviación en la misma.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Señal de entrada, referencia o punto de consigna:
Es una señal externa de control y con ella se impone el valor deseado a la salida. Un
ejemplo de generador de referencia es el selector de temperatura en el control de
temperatura de una habitación. La señal de entrada o referencia es una posición que
está directamente relacionada con la variable de salida que es la temperatura.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Señal de salida o variable controlada o respuesta:
Es el valor real en cada instante que toma la señal que se pretende controlar.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Perturbaciones:
Las perturbaciones se producen de forma imprevista y provocan una desviación de
la señal real respecto de la señal deseada.
Pueden ser internas, que dependen del propio sistema como puede ser el
envejecimiento de componentes, o externas como por ejemplo la apertura de una
ventana en un local que se está climatizando.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Comparador o Detector de error:
Es el dispositivo en cargado de comparar el valor de referencia con el valor de la
retroalimentación. El resultado de dicha comparación constituye el error de
funcionamiento o desviación de la salida con relación al valor previsto. Para realizar
tal comparación se utilizan diversos procedimientos tecnológicos según sea el tipo de
señales a comparar (eléctricos, neumáticos, posición).
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Controlador o Regulador (cerebro):
Es el dispositivo en cargado de amplificar y modificar adecuadamente la señal de
error que le proporciona el comparador con el fin de que la acción de control sobre
el sistema sea más eficaz y presente mejores características de funcionamiento en
cuanto a precisión, estabilidad, tiempo de respuesta y sobre oscilaciones.
Los reguladores pueden ser de los tipos siguientes: Proporcionales(P), ProporcionalDerivativo(PD), Proporcional-Integrativo(PI), Proporcional-Integrativo-Derivativo(PID).
En la práctica se utilizan los PID. Para la realización de los reguladores se utiliza
normalmente la tecnología eléctrica o neumática.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Regulador Proporcional(P).- El sistema reacciona alcanzando la salida un nuevo valor
no coincidente con el punto de consigna manteniéndose un cierto error.
Regulador Proporcional-Integral-Derivativo(PID).- No hay tanto sobrepaso por
encima del PC (punto de consigna, entrada o referencia) y, sobretodo, la medida
alcanza de nuevo a la consigna resultando un error cero.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Preaccionador:
Tiene por finalidad amplificar la señal procedente del regulador para atacar al
actuador.
Ejemplo: Un contactor es excitado con una tensión débil de 24V, 100mA y, al
accionarse, permite la alimentación de energía a un motor trifásico de 380V, 50A.
Otros preaccionadores: válvulas distribuidoras, relés, amplificadores transistorizados,
triacs, etc.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Preaccionador, Válvulas distribuidoras:
Permiten realizar y ordenar los cambios en la dirección del fluido hidráulico, según
las necesidades de cada fase del ciclo de trabajo, abriendo o cerrando
determinadas vías de paso.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Preaccionador, Relés:
Es un dispositivo electromecánico que funciona como un interruptor controlado por un
circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un
juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos
independientes.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Preaccionador, Triacs:
Es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un
tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De
forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la
corriente alterna.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Actuador o Accionador:
Es el dispositivo de potencia situado en la planta cuyo objeto es entregar energía o
realizar un trabajo para mantener el valor de salida en el valor deseado.
Como actuadores se utilizan fundamentalmente: cilindros, motores posicionadores,
resistencias, servoválvulas, etc.
Las variables de entrada a estos dispositivos suelen ser del tipo de intensidades de
corriente eléctrica, caudal de líquido o vapor, par aplicado a un eje.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Actuador o Accionador, Cilindros, motores posicionadores, resistencias, servo válvulas:
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
El Sistema, Planta o Proceso:
Es el lugar donde se desea realizar la acción de control. Por ejemplo: en un control
de temperatura, la planta puede ser una habitación o un horno; en un control de
nivel, la planta será un depósito.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
El Sistema, Planta o Proceso:
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Transductor o Elemento de medición o Detector:
Consiste en un dispositivo capaz de medir en cada instante el valor de la magnitud
de salida y proveer una señal proporcional a dicho valor. Normalmente todo
transductor consta de dos partes diferenciadas:
El captador o sensor, cuya finalidad es captar directamente la magnitud medida
(presión, nivel, caudal, temperatura, velocidad, posición, iluminación, etc.); y
El transmisor, que transforma la magnitud vista por el captador en una señal,
generalmente eléctrica o neumática, que se enviará al detector de error.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
Transductor o Elemento de medición o Detector:
Por ejemplo, en un transductor de proximidad capacitivo, el captador detectará la
presencia de un objeto en sus proximidades por la modificación del propio campo
eléctrico generado. Esta variación del campo generará una corriente eléctrica en el
elemento transmisor y que constituirá la señal de retroalimentación que llegará al
comparador.
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL
Control de temperatura en un horno (todo/nada):
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL
Control de tensión en una banda de papel:
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL
Control del caudal en una tubería:
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL
Control de velocidad motor de C. C.:
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL
Control de temperatura en un establo:
PARÁMETROS DE LA RESPUESTA DE UN SISTEMA DE
SEGUNDO ORDEN
Td: Tiempo de retardo. Tiempo que tarda la
respuesta en alcanzar, por primera vez, el 50% del
valor final.
Tr: Tiempo de crecimiento. Tiempo requerido para
que la respuesta adquiera el 100% del valor final.
Tp: Tiempo de pico. Tiempo transcurrido hasta
alcanzar el primer pico del sobre-impulso.
Mp: Máximo sobre-impulso. Valor de pico
máximo de la respuesta.
Ts: Tiempo de establecimiento. Tiempo requerido
por la respuesta para alcanzar y mantenerse
dentro de determinado margen alrededor del
valor final (generalmente ±2%).
RESPUESTA TRANSITORIA DE UN SISTEMA ANTE UNA
ENTRADA ESCALÓN UNITARIO : Coeficiente de amortiguamiento. Es un coeficiente
adimensional del polinomio del denominador de la
función de transferencia del sistema.
•Sistema sin amortiguamiento  =0. La respuesta es
de tipo senoidal no amortiguada. Sistema inestable u
oscilatorio.
•Sistema subamortiguado 0< <1. La respuesta es
de tipo oscilatorio amortiguado. Caso habitual.
•Sistema con amortiguamiento crítico  =1. La
respuesta no oscila y es uniformemente creciente de
forma exponencial tendiendo al valor de la señal de
entrada.
•Sistema sobreamortiguado  >1. Respuesta
exponencial pero con velocidad de crecimiento menor.