IYCP Láminas Capítulo 1
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Fundamentos de Instrumentación y Control de Proceso s con
aplicaciones en MATLAB®
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA – Carlos Alberto Rey Soto - 2013
Capítulo 1
INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOS
���� OBJETIVOS INSTRUCCIONALES
• Describir definiciones clásicas de un sistema de control.
• Reconocer métodos usados para representación de sistemas de control.
• Identificar componentes básicos de un sistema de control de procesos.
• Reconocer métodos para evaluación del desempeño de sistemas de control de procesos.
• Evaluar funcionamiento de ejemplos típicos de control de procesos.
• Utilizar simbología ANSI-ISA para desarrollar los diagramas P&ID y PDF de ejemplos típicos de control de procesos.
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���� INTRODUCCION
• Sistemas de control → rol fundamental desarrollo ciencia y e ingeniería
• Ultima década → componentes esenciales en:
- control vehículos espaciales, sistemas robóticos, producción de combustibles
- procesamiento de productos alimenticios, industria petroquímica
- generación y distribución de energía eléctrica, biomedicina
- distribución y tratamiento de aguas residuales y servidas
- electrónica de automóviles, producción de electrodomésticos
• Sistemas de Control involucrados en todos aspectos de vida diaria:
- mantener altos estándares de calidad de los productos: composición, pureza, color
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- lograr niveles de producción a mínimo costo
- proporcionar condiciones de trabajo adecuadas
- seguridad industrial y ambiental
- menor intervención del ser humano
• Temas incluidos en capítulo:
- aspectos fundamentales para comprender funcionamiento de S.C.
- orientado particularmente al control de procesos industriales
- definiciones clásicas, asociadas con la función del control de procesos
- formas típicas de representación mediante diagramas de bloque
- Identificar componentes fundamentales → función y propósito
- diagramas Instrumentación y Control de Procesos → P&ID y PFD
- MATLAB → herramienta que facilita solución e interpretación gráfica
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1.1 CONCEPTOS GENERALES DE SISTEMAS DE CONTROL
• Propósito, definición, componentes, estrategias y señales características
• Campos de aplicación de los sistemas de control
���� DEFINICION DE SISTEMA DE CONTROL
• Diversas definiciones clásicas relacionadas con objetivo y propósito S.C.
[Dorf2005], [Ogata2003], [Kuo1995], [Franklin1991], [Johnson2003]
• Definición que incluye condiciones mínimas:
DEFINICION 1.1: Propósito del sistema de control
Conjunto de componentes interconectados, de modo que puedan ser comandados, o regulados por sí mismos o por otro sistema en forma automática, para lograr una condición deseada de una variable física.
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• Dos condiciones mínimas que debe satisfacer cualquier S.C.:
- capacidad de regulación → respuesta a especificaciones de diseño, según la variable física a controlar o variable controlada
- regulación automática → no necesaria intervención del operador
• Caso típico: Operador ajustando manualmente válvula de vapor en control de temperatura usando intercambiador de calor:
- alto nivel de riesgo → descuido del operador
- pobre calidad en regulación de temperatura
���� CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
• Gran variedad de criterios → muchas definiciones
• Según la condición deseada:
SEGUIDORES: Condición deseada cambia con el tiempo.
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Ejemplos típicos:
- control de posición de una antena de un radar
- control de la dirección de un vehículo
- seguidores solares de 2 ejes de alta precisión: CSP y CPV
REGULADORES: Condición deseada fija → controladores industriales
Ejemplos típicos:
- control temperatura, nivel, presión y flujo → control de procesos
• Aplicaciones específicas:
CONTROL DE PROCESOS: Sistemas de regulación automática para mantener constante en el tiempo una variable controlada, respecto de un valor deseado o setpoint. Se aplica en regulación automática de nivel, temperatura, flujo, presión, relacionadas con sistemas de producción industrial.
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SERVOMECANISMOS: Ejecutar conjunto operaciones en secuencia, usando componentes eletromecánicos.
Ejemplos típicos:
- robots en aplicaciones industriales y biomedicina
- máquinas de control numérico, lavadoras de ropa
• Otras denominaciones:
- control secuencial → electrodomésticos y procesos de manufactura
- control analógico → regulación mediante dispositivos analógicos electrónicos
- control digital → utilizan microprocesadores como unidades de control
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���� DIAGRAMA DE BLOQUES Y MODELO DEL SISTEMA DE CONTRO L
• Diagrama funcional → identificar relación causa ⇔ efecto
• Relación condición esperada o setpoint ⇔ variable controlada
• Fundamento → teoría Sistema Lineales → relación entrada ⇔ salida
• Identifica y establece propósito del sistema de control
• Dos variables fundamentales al formular la relación entrada ⇔ salida
ENTRADA: Estímulo o excitación aplicada para lograr una respuesta deseada en el sistema de control, conocida como valor deseado o setpoint.
Figura 1.1 Diagrama funcional asociado con propósito del sistema de control.
SISTEMA DE CONTROL
Valor deseado
Entrada
Variable controlada
Salida
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SALIDA: Respuesta por la acción de control, que puede ser igual o no al valor deseado o setpoint → offset o error permanente.
• Relación entrada ⇔ salida cambia con el tiempo → sistema dinámico
DEFINICION 1.2: Sistema dinámico
Proceso donde existe relación causa ⇔ efecto y es posible formular de modo algebraico o gráfico una relación entrada ⇔ salida, para evaluar su comportamiento en el tiempo.
• Relación entrada ⇔ salida → modelo del sistema analítico o gráfico
• Modelo → elemento básico para análisis y diseño del sistema de control
���� ANALISIS Y DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL
ANALISIS: Evaluar respuesta dinámica para entrada conocida (señal prueba). Asume que conocido el modelo del sistema de control.
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DISEÑO: Obtener modelo del sistema para satisfacer condiciones específicas de entrada ⇔ salida → requerimientos de diseño.
���� SISTEMAS SISO Y SISTEMAS MIMO
• SISO → 1-entrada y 1-salida → Single-Input-Single-Output
• Modelos industriales → múltiples-entradas-múltiples-salidas
• MIMO → Multiple-input-Multiple-output → figura 1.3
Figura 1.2 Diferencia entre análisis y diseño de un sistema de control. Análisis
MODELO DEL SISTEMA
Entrada
(Conocida)
Salida
(?)
Diseño
(?) Entrada
(Conocida)
Salida
(Conocida)
SISTEMA DE CONTROL
MULTIVARIABLE
Entradas Salidas
Valores deseados
Variables controladas
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• Figura 1.4 → Ejemplo típico: caldera de vapor
1.2 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE PROCESOS
���� CONTENIDO:
• Fundamentos básicos para comprender funcionamiento del C.P.
• Identificar propósito de cada componente → diagramas de bloque
• Interconectar según aplicación particular
CALDERA DE VAPOR
Temperatura Agua
Combustible
AirePresión