Transcript UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
UNIVERSIDAD ALONSO DE OJEDA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE COMPUTACIÓN
ASIGNATURA: SISTEMAS DE CONTROL
UNIDAD 1:
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
PROFESOR:
ING. GERARDO ALBERTO LEAL
UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN SISTEMAS DE CONTROL:
La Ingeniería de Control surge por la necesidad del hombre de mejorar
su estándar de vida y de que algunas tareas sean realizadas en forma automática,
es decir no requieren intervención directa del hombre.
Para entrar al estudio de los Sistemas de Control, se deben definir los
siguientes términos:
Planta
Proceso
Sistema
Control
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Concepto de Proceso:
Conjunto de fases consecutivas en un fenómeno
natural, en un área o en una actividad, que tiene
cambios de estado de acuerdo a condiciones
dadas.
Ejemplo: Procesos eléctricos, mecánicos,
manufactura, alimentos, energía, hidrocarburos,
transporte, comunicaciones, entre otros.
Concepto de Planta:
Conjunto de equipos o elementos de
maquinas que actúan juntos con el propósito
de realizar una operación en particular.
Ejemplo: Plantas eléctricas, de Gas,
Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de
fabricación, entre otros.
Planta de Hidrocarburos
Fabrica de Manufactura
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Concepto de Sistema:
Conjunto de elementos y reglas que organizados e interrelacionados entre si,
contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los definen,
que pueden ser constantes (parámetros del sistema) y cambiantes en el tiempo
(variables del sistema) las cuales permiten determinar su comportamiento.
Entrada
Salida
SISTEMA
Parámetros del Sistema
Variables del Sistema
Elementos y Reglas
Concepto de Control:
Es una estrategia que verifica lo que ocurre (realidad) con respecto a lo que debería
ocurrir (objetivo) y de no existir concordancia se toman acciones para corregir la
diferencia.
Objetivo
Realidad
CONTROL
Acción
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Concepto de Sistema de Control:
Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones
corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y
aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las
condiciones deseadas.
Mide el Nivel
Abre Válvula
Tanque
Velocidad
Deseada
Conductor
Acción
Vehículo
Velocidad
Real
Acelerador
Salida de Fluido
Regula el Nivel
Control de Nivel en un Tanque
Medidor
Control de Velocidad en un Vehículo
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METODOLOGIA APLICADA AL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL:
Proceso
(Realidad)
Modelos
Matemáticos
Unidad 1
Unidad 3
Especificaciones
NO
Valido?
Unidad 2
Análisis
SI
Controladores
Implementación
Unidad 4
Estrategias
(Simulación)
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ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Proceso:
es el objeto o elemento a regular, es decir donde se darán los cambios.
Variables:
Variable Controlada: variable a mantener dentro de ciertas condiciones.
Variable Manipulada: variable modificada intencionalmente para influir en la
variable controlada.
Valor Deseado: valor de referencia al cual se quiere llevar la variable controlada.
Variable de Perturbación: variable que produce desviación entre la variable
controlada y el valor deseado.
Instrumentos:
Medidor: elemento a través del cual se visualiza el comportamiento de las
variables.
Controlador: dispositivo que permite evaluar las condiciones para emitir las
acciones de control.
Actuador: dispositivo que ejecuta la acción de control directa sobre el proceso.
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EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Proceso: Tanque
Variable controlada: Nivel Tanque
Flotador
Variable manipulada: Flujo entrada
Valor deseado: Altura del tanque
Variable de perturbación: Filtración
Medidor: Flotador
Tanque de
Agua
Actuador: Flotador
Controlador: Flotador
Proceso: Tanque
Variable controlada: Nivel Tanque
Variable manipulada: Flujo salida
Valor deseado: Altura del tanque
Tanque
de Agua
Válvula
Variable de perturbación: Filtración
Medidor: Observador (persona)
Actuador: Válvula Manual
Controlador: Operador (persona)
V-1
Sistema de Control de NIVEL
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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN APLICADOS AL CONTROL :
Variables: se relacionan con la naturaleza del proceso a controlar. Son tan diversas
como los procesos. Ejemplo: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Corriente, Voltaje,
Densidad, Peso, Posición, Frecuencia, etc.
Instrumentos: dispositivos que miden, indican, controlan, almacenan información,
manipulan mecanismos y modifican estados. Influyen en las variables y los estados del
proceso.
La Instrument Sociaty American (ISA) establece la nomenclatura y simbología de
los instrumentos utilizados en la ingeniería de control. Permite identificar y representar los
sistemas de control a través de los diagramas de instrumentación.
El formato para la identificación del instrumento según la ISA es el siguiente:
XXYY – ZZ – NN
XXYY: Identificación del Instrumento. Este código esta formado por dos subcodigos.
El primero (XX) se refiere a la variable y el segundo a la función del instrumento.
ZZ: Identificación del Lazo o Área en el cual se encuentra ubicado el instrumento.
NN: Identificación del número del instrumento en una misma función. (Opcional)
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CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN CONTROL :
Función:
Controlador: ejecuta algoritmos de control
Transmisor: mide y transmite variables en forma de señales
Válvulas: ejecutan acciones sobre los procesos
Elementos finales: ejecutan acciones. Relés, bombas.
Convertidores I/P: convierten señales de presión a corriente
Sensores: detectan una condición del proceso
Energía:
Electrónico: funciona con corriente, voltaje.
Neumático: funciona con presión de aire
Hidráulico: funciona con presión de aceite
Señal:
Analógica: funciones continuas. Rango de valores.
(Presión, temperatura, tiempo, etc.)
Digital: funciones binarias. Dos estados (ON/FF)
SIMBOLOGIA PARA DIAGRAMA DE INSTRUMENTOS :
XXYY
s
ZZ-NN
E-1
Válvula
Manual
V-1
SIMBOLO
Válvula Control
Neumática
V-2
Válvula Control
Motorizada
V-3
Válvula Solenoide
V-4
Bomba Eléctrica
INSTRUMENTO
(TRANSMISOR, CONTROLADOR, ETC)
CONEXIÓN AL PROCESO
O ENLACE MECANICO
CONEXIÓN SEÑAL
CONEXIÓN SEÑAL
NEUMATICA
HIDRAULICA
(PRESIÓN AIRE)
(PRESIÓN ACEITE)
CONEXIÓN SEÑAL
ELECTRICA
CONEXIÓN SEÑAL
ELECTROMAGNETICA
(ELECTRONICO)
( INALAMBRICO)
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TABLA PARA LA IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS :
TT-A1-2 Transmisor de Temperatura del Área A1, Instrumento 2
FRC-10-2 Controlador Registrador de Flujo del Área 10, Instrumento 2
FT-12-1
Transmisor de Flujo del Área 12, Instrumento 1.
LSL-10-1 Interruptor de Bajo nivel del Área 10, Instrumento 1.
PDI-10-1 Indicador de Presión Diferencial del Área 10, Instrumento 1.
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EJEMPLOS DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:
El siguiente diagrama de instrumentación de un proceso industrial, corresponde a un intercambiador de
calor utilizado para calentar un fluido. Un transmisor de temperatura (TT) permite medir la temperatura
del fluido e indica a un controlador (TC) para que este opere una válvula que deja pasar vapor hacia el
recipiente. Identificar los elementos del sistema de control.
Entrada fluido
Proceso: Intercambiador de Calor
Variable controlada: Temperatura fluido
Variable manipulada: Flujo Vapor
Valor deseado: Temperatura T
Intercambiador
Salida fluido
Variable de perturbación: Temp. Externa
Medidor: Transmisor de Temperatura TT
Actuador: Válvula
Controlador: Controlador TC
TT
Transmisor de
Temperatura
TC
Controlador de
Temperatura
Válvula
Vapor
Valor deseado T
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EJEMPLO DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:
Dibujar un diagrama de proceso e instrumentación, para controlar la presión de
una la línea de gas, utilizando una válvula de control neumática y un controlador
electrónico.
CONTROLADOR DE
PRESIÓN
(ELECTRONICO)
IP
PC
01-1
01-1
F
PT
01-1
MEDIDOR
(TRANSMISOR DE
PRESIÓN)
CONVERTIDOR
(CORRIENTE A
PRESIÓN)
S-7
LÍNEA DISTRIBUCIÓN
DE GAS
PV-01-1
VALVULA NEUMATICA
PARA CONTROL DE
PRESIÓN
SP
(VALOR DESEADO)
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DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Son representaciones graficas utilizadas para expresar a través de bloques
las conexiones funcionales de los elementos del sistema de control.
Los elementos utilizados para construir los diagramas de bloques son:
Flechas: representan las variables controladas y no controladas (Señales).
Bloques: representan los elementos de control (medidores, controladores,
proceso y demás dispositivos.
Comparadores: compara las señales del sistema, dando como resultado
la adición o diferencia de señales. También se les dice puntos de suma o
diferencia.
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DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Proceso: objeto en el cual se desea implementar el control
Variable Controlada: variable real del proceso que se va a controlar
Variable de Referencia: valor deseado para la variable a controlar
Medidor: mide el valor real de la variable controlada
Controlador: ejecuta el método y algoritmo para controlar
Actuador: realiza la acción directa sobre el proceso
Error: diferencia entre le valor real y el valor deseado de la variable controlada
Señal de Regulación: salida del controlador
Señal Regulada: salida del Actuador
Señal de Perturbación: variables no controlada que afecta al proceso
Señal Medida: salida del medidor
UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
EJEMPLO:
Un contenedor con flujo constante de agua, como se muestra en la figura, va a ser regulado de tal
forma que la temperatura de salida del agua (T2), se mantenga constante. Dibuje un diagrama de
bloques, de manera que muestre como funciona el sistema de control. La temperatura ambiental es T1.
Que variable se puede tomar como disturbio o alteración del sistema?
T1
RESISTENCIA DE
CALENTAMIENTO
AMPLIFICADOR
AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
T2
MEDIDOR DE
TEMPERATURA
+ -
+
R
-
POTENCIOMETRO
UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS:
Control Manual
Interviene directamente la mano del hombre en la acción de control.
Ejemplo: Válvula manual a la salida del tanque de riego.
Control Automático
No se requiere la intervención ni la supervisión del hombre
Ejemplo: Control de Temperatura del contenedor de agua caliente.
Control a Lazo Abierto
Es aquel en el que la salida no influye sobre la acción de control.
Su esquema básico es:
Influencia
ENTRADA
SALIDA
SISTEMA DE
REGULACION
PROCESO, OBJETO
Señal de
Regulación
UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS:
Control a Lazo Cerrado
Se produce cuando la salida del sistema vuelve a ingresar al sistema para la acción de
control. Este esquema se llama retroalimentación permite el control automático de un
sistema.
El esquema básico del Control a Lazo Cerrado es:
Observación
Influencia
Perturbaciones
SALIDA
ENTRADA
SISTEMA, PROCESO, OBJETO
Señal de Regulación
SISTEMA DE REGULACION
Señal de Medición
UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
EJEMPLO:
Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para los procesos de control de
nivel con y sin flotador, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables
principales (Referencia, Controlada, Disturbio), así como el tipo de control.
Caso con flotador:
CONTROL AUTOMATICO
A LAZO CERRADO
Caso sin flotador:
CONTROL MANUAL
A LAZO CERRADO
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EJEMPLO:
Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para un aire acondicionado integral
de una vivienda, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables principales
(Referencia, Controlada, Disturbio). Dibujar un diagrama a Lazo Abierto y otro a Lazo Cerrado
LAZO ABIERTO:
LAZO CERRADO: