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CONTROL AUTOMATICO

Dr. Mario Audelo Guevara

Escuela Superior Politécnica de Chimborazo

Ingeniería Automotriz

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Objeto de estudio

� Introducción al proceso de análisis y diseño de sistemas de control.

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Objetivos

� Analizar y diseñar sistemas de control, a un nivel reproductivo y productivo, aplicando conceptos, principios y métodos en el dominio de la frecuencia y del tiempo, para resolver problemas de diseño utilizando herramientas como software moderno en sistemas de control lineales e invariantes con el tiempo.

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Control digital-microcontroladores5

Controladores4

Análisis de los sistemas realimentados3

Sistemas de control y modelos2

Introducción al control automático1

UNIDADES

Resumen del contenido

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Método de calificación� EVALUACIONES FRECUENTES:

Resolución de problemas de cada unidad, 10% de 28 puntos (2.8).Consultas sobre temas específicos 10% de 28 puntos (2.8).Trabajos prácticos, 30% de 28 puntos (8.4)

� EVALUACIONES PARCIALES:

Al final de cada Unidad, se receptará una prueba escrita/oral, 50% de 28 puntos (14).

� EVALUACIÓN FINAL:

Prueba escrita sobre las habilidades más relevantes de cada una de las unidades para conocer si el estudiante es capaz de demostrar los objetivos de la asignatura. 70% de 12 puntos (8.4).

Instalación y operación de un sistema de control, 30 % de 12 puntos (3.6).

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Bibliografía

� INGENIERIA DE CONTROL MODERNA. Katsuhiko Ogata. PrenticeHall.

� SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL. Benjamin C. Kuo. CECSA.

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Restricciones:

� Las tareas se no se podrán entregar después de la fecha indicada � Cualquier aclaración sobre faltas o no estar en listas, dirigirse primero con el Director de Escuela.

� Los exámenes se realizaran dentro del horario de clases y no se podrán extender fuera de este.

� No hay exámenes para llevar.� No se permite sacar laptops, libros, celulares en los exámenes.

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Historia del Control Automático

Uso de Modelos

matemáticos

PrehistoriaPrehistoria HistoriaHistoria

Reloj de agua

(300 AC)

Regulador centrífugo

de James Watt(1788 DC)

Análisis de estabilidad

basado en ecs. difs

J. C. Maxwell (1868)

La historia del control automático es muy fascinante y se remonta hasta los principios de la civilización.

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Historia del Control Automático

� Las primeras aplicaciones se remontan a los mecanismos reguladores con flotador en Grecia.

El reloj de Ktesibius fue construido alrededor de 250 BC. Es considerado el primer sistema de control automático de la historia.

Flotador con válvula

Flotador con

apuntador

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Historia del Control Automático

� Herón de Alejandría (100 D. C.)

Publicó un libro denominado Pneumatica en donde se describen varios mecanismos de nivel de agua con reguladores de flotador.

La Fuente mágica de Herón de Alejandría

Medidor de tiempo

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Historia del Control Automático

� Sin embargo el primer trabajo significativo en control con realimentación automática fue el regulador centrífugo de James Watt, desarrollado en 1769

Motor Carga

Engranes

Combustible

Cierra

Abre

Aceite a presión

Válvula de control

Esquema de Regulador de velocidad moderno

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¿Que es un Sistema de Control?

Un sistema de Control es una interconexión de componentes que forman una configuración del sistema que proporcionara una respuesta deseada.

Un componente o proceso que vaya a ser controlado puede representarse mediante un bloque como se muestra en la figura.

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� El control automático juega un papel muy importante en el avance de la ingeniería y la ciencia.

� El control automático es una disciplina de la ingeniería automotriz relativamente joven.

� En la gran mayoría de las industrias, el control automático viene a satisfacer las necesidades que se presentan para poder operar demanera satisfactoria.

Relevancia de los sistemas de control

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Aplicaciones

Aplicaciones Modernas

Vehículos Espaciales

En los vuelos espaciales, los sistemas de control son de gran utilidad:

Sirven para que el vehiculo siga fielmente la trayectoria (hiperbólica) deseada de vuelo, la velocidad de escape necesaria para vencer la fuerza de gravedad, y a la vez, contrarrestar el efecto del viento sobre el vehiculo espacial.

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Aplicaciones Modernas

Satélites

En los satélites que orbitan la tierra, los sistemas de control son muy útiles:

Sirven para cuando el satélite gire de una posición a otra, los paneles solares, los cuales son flexibles, no oscilen, y de esta forma los paneles solares no se estresen y así evitar una futura fisura en el satélite.

Aplicaciones

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Aplicaciones ModernasMisiles

Los misiles son pioneros en la aplicación del control automático:El control automático se usa para controlar la trayectoria predefinida a seguir, al igual que la velocidad para, a la vez como contrarrestar las ráfagas de viento y de esta forma poder dar en el blanco propuesto.

Aplicaciones

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Aplicaciones ModernasRobots

En el área de la robótica, el control juega un papel central:Por ejemplo en la foto se presenta un robot caminador diseñado por Honda, en donde el control automático balancea al robot para que este guarde el equilibrio y no se caiga.

Aplicaciones

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Aplicaciones Modernas

Ingeniería Biomédica

En el área de la Biomédica, el control juega un papel muy importante:

Por ejemplo, la administración de insulina en los enfermos de diabetes se está realizando de forma automatizada.

Aplicaciones

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Aplicaciones Industriales

Maquinas de Control Numérico

Las maquinas de control numérico sirven en la manufactura de piezas de diseño muy particular o único, usando materiales como acrílico, cobre, entre otros:

Estas maquinas usan el control automático para posicionar correctamente las distintas herramientas que se requieran en la manufactura de una pieza.

Aplicaciones

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Aplicaciones IndustrialesAhorro de energía

Los motores eléctricos en la industria son los principales consumidores de energía en donde el control automático juega de nuevo un papel importante:

El control automático puede minimizar de manera optima los consumos de energía de los motores eléctricos, además de mantener sus velocidades constante sin importar las variaciones de la cargas que estén soportando.

Aplicaciones

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Aplicaciones IndustrialesCuartos limpios

Los cuartos limpios son usados en la manufactura de nano-tecnología, medicamentos, laboratorios de animales, etc.:

El control automático regula varios parámetros que hacen de estos cuartos que sean “limpios”, tales como la temperatura, humedad, partículas suspendidas, luminosidad, etc.

Aplicaciones

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Aplicaciones IndustrialesIndustria automotriz

En la industria automotriz, el control automático está jugando un papel muy importante que marca los avances de la tecnología automotriz:El control automático se usa en la inyección electrónica de combustibles, frenos abs, bolsas de aire, control de velocidad de crucero, entre otros.

Aplicaciones

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Conceptos Básicos

Sistema.- Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo específico. Por lo que podemos encontrar sistemas mecánicos, eléctricos, biológicos, químicos, económicos, etc.

Un sistema de control se puede considerar como una caja negra que sirve para controlar la salida de un valor o secuencia de valores determinados.

ProcesoEntrada Salida

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Ejemplo

� Ejemplo de un Sistema de Control: fijar el valor de la temperatura deseada por medio de un horno de calefacción que se ajusta de modo que el agua que sea bombeada a través del radiador produzca la temperatura deseada.

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Ejemplo

� Ejemplo de un Sistema

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Ejemplo

� Ejemplo de un Sistema de Medición

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Ejemplo� Un sistema de medición se podría considerar como una caja negra que se utiliza para medir. La entrada es la magnitud que se desea medir y su salida es el valor correspondiente a dicha magnitud.

Sensor: el cual responde a la cantidad que se mide, dando como salida una señal relacionada.

Accionador de Señal: manipula y convierte la señal de sensor una forma adecuada.

Sistema de Presentación Visual: pantalla o display, se observa la salida producida por el acondicionador de señal.

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Conceptos Básicos

Sistema de control en lazo cerrado.- Son en los que se mantiene una constante medición de la señal de salida, la cual es comparada con una señal deseada o de referencia. La diferencia existente entre ambas señales se le conoce como error, el cual es minimizado mediante un controlador.

Sistema de Control en Lazo Cerrado: es aquel en donde la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. Se reajusta la salida hasta obtener el valor deseado.

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Elementos de un Sistema en Lazo Cerrado

1. Elemento de Comparación: compara el valor deseado o de referencia de la condición variable que se controla con el valor medido de lo que se produce y genera una señal de error.

2. Elemento de Control: decide que acción llevar a cabo, por ejemplo una señal para accionar un interruptor o abrir una válvula.

3. Elemento de Corrección: produce un cambio en el proceso a fin de corregir o modificar la condición controlada. El termino actuador designa al elemento de una unidad de corrección que proporciona la energía para realizar la acción de control.

4. Elemento de Proceso: el proceso es lo que se está controlando.

5. Elemento de Medición: produce una señal relacionada con el estado de la variable del proceso que se controla. Por ejemplo un termopar que produce una f.e.m. relacionada con la temperatura.

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Elementos de un Sistema en Lazo CerradoEjemplo: Persona que controla la temperatura de una habitación

Variable Controlada – temperatura de la habitaciónVariable de Referencia – temperatura deseada de la habitaciónElemento de Comparación – persona que compara los valoresSeñal de Error – diferencia entre la temperatura medida y deseadaUnidad de Control – personaUnidad de Corrección – interruptor del calentadorProceso – calentamiento mediante un calentadorDispositivo de Medición - termómetro

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Ejemplo

� Por ejemplo el cuerpo cuenta con un sistema de control de temperatura. Este sistema recibe una entrada enviada por sensores que le dicen cual es la temperatura y compara estos datos con elvalor que debe tener, a continuación produce la respuesta adecuada a fin de lograr la temperatura requerida.

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Ejemplo

� Control por retroalimentación para tomar un lápiz:

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Conceptos Básicos

Sistema de control en lazo abierto.- Son en los que la salida no afecta la acción de control. Por ejemplo, la lavadora es un sistema en lazo abierto ya que opera sobre una base de tiempo, y la salida, es decir la limpieza de la ropa no afecta a esta.

Sistema de Control en Lazo Abierto: no se retroalimenta la información al elemento de control para reajustar la salida y mantenerla al valor deseado.

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Ejemplo

� Control en Lazo Abierto:

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Sistemas en Lazo Abierto y Lazo Cerrado

� Los sistemas de lazo abierto tiene la ventaja de ser relativamente sencillos, por lo que su costo es bajo y en general su confiabilidad es buena. Sin embargo pueden ser imprecisos ya que no hay correciónde errores.

� Los sistemas de lazo cerrado tienen la ventaja de ser bastante precisos para igualar el valor real y el deseado, pero son más complejos y costosos.

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Sistemas en Lazo Abierto y Lazo Cerrado

LAZO ABIERTOVentajas:•Fácil de implementar•Sencillo•EconómicoDesventajas:•Si existe un error en la salida, el control no lo compensa.• Si hay perturbaciones, el control no las compensa.• La efectividad depende de la calibración.•Necesita componentes precisos

LAZO CERRADOVentajas:•Si existe un error en la salidael control lo compensa.• Si hay perturbaciones elcontrol las compensa.• Puede utilizar componentesimprecisos y baratos. Desventajas:•A veces complicado para implementar• Tiene más componentes que un control a lazo abierto.• Utiliza más potencia.• Necesita sensores que pueden no ser económicos.

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� Variable de referencia.- Es lo que se desea ver reflejado en la salida o en la variable controlada.

� Variable de error.- Es la desviación de la salida o variable controlada con respecto a la variable de referencia.

� Variable de control.- Es la cantidad o condición modificada por el controlador.

� Variable controlada.- Cantidad o condición que se mide y controla.� Perturbación.- Es una señal que puede ser interna o externa y tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema.

� Proceso. Es el desarrollo natural de un acontecimiento, caracterizado por una serie de eventos o cambio graduales, progresivamente continuos y que tienden a un resultado final.

� Planta. Conjunto de piezas de una maquinaria que tienen por objetivo realizar cierta actividad en conjunto. En sistemas de control, por planta se entiende el sistema que se quiere controlar.

Conceptos Básicos

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Ejercicio

� Sistema de control de la velocidad de un vehiculo

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Ejercicio� Sistema de control para una mesa giratoria que asegure que la velocidad real de rotación está dentro de un porcentaje especificado de la velocidad deseada

� Sistema sin realimentación

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� Sistema con realimentación

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Sistemas de control

Sistemas de control lineal.- Estos sistemas cumplen con el principio de superposición. Este principio establece que la respuesta producida por la aplicación simultánea de “x” funciones de entradas diferentes es la suma de las “x” respuestas individuales.

Sistemas de control no lineal.- Son los sistemas en los que no aplica el principio de superposición.

Sistemas de control discreto.- Son aquellos en los que se desean implementar en un medio digital, para lo cual se necesita una descripción discreta de la planta.

Conceptos Básicos

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Técnicas de control

Control óptimo.- La ley de control se desarrolla en base a la minimización de criterios. Por ejemplo se pueden usar criterios de energía, error, etc.

Control adaptivo.- Cuando se desconocen parámetros de la planta, la ley de control se construye en base a esta incertidumbre, cumpliendo con los objetivos del control y además entregando una estimación de los parámetros desconocidos.

Control inteligente.- Incluye técnicas como Redes Neuronales, Lógica Difusa, Algoritmos Genéticos, etc, o una combinación de estas.

Conceptos Básicos

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Controladores Basados en Microprocesadores

� Los microcontroladores se utilizan en general para operaciones de control. Ofrecen la ventaja de que mediante su uso es factible emplear una gran variedad de programas.

� Una opción más adaptable es el controlador lógico programable. Se trata de un controlador basado en un µProcesador en el que se utiliza una memoria programable para guardar instrucciones e implantar funciones lógicas y secuenciales.

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Controladores Basados en Microprocesadores