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INTRODUCCIÓN A LOS
SISTEMAS DE CONTROL
Ing. Alejandra Escobar
Instrumentación y Control. Unidad I
Sistemas de Control Los sistemas de control tienen una larga
historia que comenzó con el deseo
primordial de los seres humanos de
dominar los materiales y las fuerzas de la
naturaleza en su provecho.
Los primeros ejemplos de dispositivos de
control incluyen los sistemas de regulación
de relojes y los mecanismos para mantener
los molinos de viento orientados en la
dirección del viento.
Las plantas industriales modernas poseen
sofisticados sistemas de control que son
cruciales para su correcta operación.Instrumentación y Control. Unidad I
¿Dónde se usa Control?
Procesos industriales.
Generación de
energía.
Transporte.
Transmisión de
energía.
Autos.
Mecatrónica.
Trenes.
Instrumentación.
Barcos.
Artefactos
electrónicos.
Aviones.
Economía.
Naves espaciales.
Medicina.
Instrumentación y Control. Unidad I
Un mejor control es la clave tecnológica para
lograr productos de mayor calidad, minimización
de desperdicios, protección del medio
ambiente, mayor rendimiento de la capacidad
instalada y mayores márgenes de seguridad.
Definiciones
Básicas
Instrumentación y Control. Unidad I
Sistema
Un sistema es una combinación de
componentes que actúan juntos y
realizan un objetivo determinado.
Un sistema no necesariamente es
físico.
Se aplica a fenómenos abstractos y
dinámicos. (sistemas económicos)
Implicación
físicos, químicos, biológicos, económi
cos y similares. Instrumentación y Control. Unidad I
Proceso
Operación o un desarrollo de natural
progresivamente continuo, marcado por
una serie de cambios graduales que se
suceden uno al otro en forma
relativamente fija y que conduce a un
resultado o propósito determinado.
Operación artificial o voluntaria
progresiva que consiste en una serie de
acciones o movimientos controlados
sistemáticamente dirigidos hacia un
propósito determinado.Instrumentación y Control. Unidad I
Plantas
Parte de un equipo, o partes de
máquinas que funcionan juntas, las
cuales ejecutan una operación
particular para el logro de un fin.
Instrumentación y Control. Unidad I
Variables
Variable Controlada: cantidad o
condición que se mide o controla.
Variable Manipulada: cantidad o
condición que el controlador modifica
para afectar el valor de la variable
controlada Perturbación Señal que tiende a afectar
adversamente el valor deseado. Puede
generarse dentro del sistemas o ser
externa. Instrumentación y Control. Unidad I
Estabilidad
Capacidad de un instrumento para
mantener su comportamiento durante
su vida útil y de almacenamiento de
datos especificados.
Instrumentación y Control. Unidad I
Controlar Medir el valor de la variable
controlada y aplicar la variable
manipulada del sistema para corregir
o limitar una desviación del valor
medido a partir del deseado
Acción de Control
Verificación para garantizar que
ocurra lo que se desea y obtener lo
requerido. Sistemas de Control
Conjunto de componentes que
pueden regular su propia conducta o
la de otro sistema con el fin de lograr
un funcionamiento predeterminado
par reducir las probabilidades de fallos
y obtener buenos resultados.Instrumentación y Control. Unidad I
Clasificación de los
Sistemas de Control
Sistema de control de lazo abierto:es aquel en el cual la acción de controles independiente de la salida.
Sistema de control de lazo cerrado:es aquel en el cual la acción de controldepende, de alguna manera de lasalida.
Instrumentación y Control. Unidad I
Control de Realimentación Operación que, en presencia de
perturbaciones, tiende a reducir la
diferencia entre la salida y la entrada de
referencia de un sistema.
Instrumentación y Control. Unidad I
Sistema de Control de
Realimentación Aquel que tiende a mantener una
relación preestablecida entre la salida y
la entrada de referencia, comparando
ambas y utilizando la diferencia como
parámetro de control.
Sistema de regulación
automática Es un sistema de control realimentado
en el que la entrada de referencia o la
salida deseada son, o bien
constantes, o varían lentamente en el
tiempo, y donde la tarea fundamental
consiste en mantener la salida en el
valor deseado a pesar de las
perturbaciones.
Instrumentación y Control. Unidad I
Control en Lazo Abierto
Los sistemas de control de lazo abierto
son sistemas de control en los que la
salida no tiene efecto sobre la acción de
control.
No existe acción de realimentación, para
comparación de la señal de salida con la
entrada de referencia, ni por tanto es
necesario la medida de la variable de
salida.
Instrumentación y Control. Unidad I
Control en Lazo Abierto
Para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fijada.
La exactitud del sistema depende de la calibración.
En presencia de perturbaciones no cumple su función asignada.
Solo se debe usar cuando se conoce la relación entre la entrada y salida del sistema, y si no hay perturbaciones ni internas ni externas.
Ejemplos: lavadora, control de tráfico por tiempos, etc.
Instrumentación y Control. Unidad I
Control en Lazo Cerrado
Es aquel en el que la señal de salida
tiene efecto directo sobre la acción de
control
El término “lazo cerrado” implica el uso
de acción de realimentación para reducir
el error del sistema
Instrumentación y Control. Unidad I
Lazo Abierto vs Lazo Cerrado
En lazo cerrado, el uso de realimentación hace
al sistema relativamente insensible a
perturbaciones externas, y a variaciones
internas de parámetros del sistema.
En lazo abierto la estabilidad es más fácil de
lograr.
En lazo cerrado la estabilidad constituye un
problema importante: se producen
oscilaciones.
Lazo abierto: sistemas con entradas conocidas
previamente y sin perturbaciones.
Lazo cerrado: si se presentan perturbaciones no
previstas y variaciones impredecibles de
componentes del sistema.Instrumentación y Control. Unidad I
Diagrama de Bloques
Un diagrama de bloques es un
representación gráfica y abreviada de
la relación causa y efecto entre la
entrada y la salida de un sistema
físico. Proporciona un método útil y
conveniente para caracterizar las
relaciones funcionales entre los
diversos componentes de un sistema
de control.
Instrumentación y Control. Unidad I
Componentes de un
Diagrama de Bloques
Bloque: El interior del rectángulo que
representa el bloque, usualmente
contiene la descripción o el nombre del
elemento, o el símbolo de la operación
matemática que se va a efectuar sobre
la entrada para producir la salida.
Flechas: representan la dirección de la
información o el flujo de la señal.
Instrumentación y Control. Unidad I
Componentes de un
Diagrama de Bloques
Punto de suma: representa las operaciones de adición y sustracción, con el signo apropiado mas o menos, asociado con las flechas que entran al circulo. La salida es la suma algebraica de las entradas.
Punto de toma o punto de reparto: Es aquel que se usa para hacer que la misma señal o variable sea una entrada a más de un bloque. Este permite que la señal prosiga inalterada por diferentes trayectorias a varios destinos.
Instrumentación y Control. Unidad I
Componentes de un
Diagrama de Bloques
Instrumentación y Control. Unidad I
Ejemplo. Lazo Abierto
Se observa la característica o variable específica del
sistema, la salida que se desea controlar, se conoce
como variable controlada, en tanto que la
característica o variable que se determina por medio
de la acción de control se conoce como entrada de
control. Instrumentación y Control. Unidad I
Ejemplo. Lazo Cerrado
En todos los casos existe un instrumento de medición
(sensor) o elemento de realimentación que mide la
variable de salida o del sistema que interesa y
transmite la medida a un controlador. Este compara la
señal con el valor deseado, y envía las instrucciones
pertinentes al mecanismo actuador, que a su vez
actúa sobre el sistema u objeto de control.Instrumentación y Control. Unidad I
Reducción de Diagramas
de Bloque
Es la simplificación (obtención) de la
función de trasferencia que describe
todo el proceso en estudio.
Función de Trasferencia: esta se
define como una relación entrada –
salida y representa la relación que
describe la dinámica del sistema bajo
consideración.Instrumentación y Control. Unidad I
Forma Canónica de un
sistema se control a Lazo
Cerrado
R(s) = entrada
C(s) = salida
G(s) = Función de transferencia directa
H(s) = Función de transferencia de realimentación
G(s).H(s) = Función de transferencia de lazo abierto
C(s)/R(s) = Función de transferencia de lazo cerrado
E(s)/R(s) = relación de error
Instrumentación y Control. Unidad I
Teoremas para la Transformación
de Diagramas de Bloques
Instrumentación y Control. Unidad I
Teoremas para la Transformación
de Diagramas de Bloques
Instrumentación y Control. Unidad I
Pasos para la Reducción de
Diagramas de Bloques
Paso1: Combinar todos los bloques en cascada usando la transformación 1.
Paso2: Combinar todos los bloques en paralelo.
Paso3: Eliminar todos los lazos menores de realimentación usando la transformación 6.
Paso4: Desplazar los puntos de suma hacia la derecha o a la izquierda, y/o los puntos de toma hacia la derecha o a la izquierda del lazo principal usando la transformaciones indicadas.
Paso5: Repetir los pasos del 1 al 5 para cada una de las entradas según sea necesario.
Instrumentación y Control. Unidad I
Ejemplo…
Instrumentación y Control. Unidad I
Reducir el siguiente diagrama de bloques
a una forma canónica
Del Diagrama de Bloques al
Diagrama de Flujo
Instrumentación y Control. Unidad I
Formula de Masson
Instrumentación y Control. Unidad I