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Sistemas Automáticos
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• Introducción• Definiciones Básicas• Concepto general de realimentación• Tipología de los sistemas de control:
• sistemas de regulación• sistemas de control secuencial
• Automatización de plantas o procesos industriales• Tecnologías para la Automatización• Esquema típico de la Automatización Industrial
• Ejemplos
Tema 1Sistemas Automáticos
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Introducción
• El control aparece en casa, en los coches, en la industria, yen los sistemas de comunicación y transporte.
• Cada vez se convierte en un elemento más crítico si falla.• Necesario para diseño de material e instrumentación usado
en ciencias básicas• Aparecen principios de control en Economía, Biología y
Medicina• El control es inherentemente multidisciplinario (proceso,
técnicas de control, tecnología de sensores y actuadores, ...)• Implica un corte horizontal a las fronteras tradicionales de
los departamentos.
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¿Por qué un ingeniero debe saber control?
• Prácticamente todos los ingenieros lo van a usar e inclusoalgunos diseñarán sistemas de control.
• El control es un elemento esencial de prácticamente todos lossistemas de ingeniería. Si los diseños se basan sólo en elcomportamiento estático pueden dar pobres resultados.
• Puede dar grados de libertad extra a los diseñadores.
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• Introducción• Definiciones Básicas• Concepto general de realimentación• Tipología de los sistemas de control:
• sistemas de regulación• sistemas de control secuencial
• Automatización de plantas o procesos industriales• Tecnologías para la Automatización• Esquema típico de la Automatización Industrial
• Ejemplos
Tema 1Sistemas Automáticos
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La Ingeniería de Sistemas y Automática
Modelo
Sistema
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La Ingeniería de Sistemas y Automática
AutomáticaDisciplina que trata de los métodos yprocedimientos cuya finalidad es lasustitución del operador humano por unoperador artificial en la ejecución de unatarea física o mental previamenteprogramada.
Ingeniería de SistemasOrganización e integración demáquinas y elementos funcionales dediferente naturaleza –incluidos loshumanos- en unidades operativaseficientes.
IngenieríaAplicación de la ciencia y lasmatemáticas mediante las cuales lamateria, la información y las fuentesde energía en la naturaleza se hacenútiles a la gente.
SistemaCualquier entidad compleja constituidapor un conjunto de elementos queguardan entre sí una relación deinfluencia, formando un entramado queasocia unos elementos con otros.
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Dispositivo que se encarga de controlar el funcionamiento del procesocapaz de reaccionar ante las situaciones que se presenten.
Sistema AutomáticoProceso dotado de elementos o dispositivos que se encargan decontrolar el funcionamiento del mismo, de forma que pueda operar encierta medida de forma autónoma, sin intervención humana.
Sistema Automático = Proceso + Automatismo
Automatismo
Regulación, manual o automática, sobre un sistema
Control
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• Introducción• Definiciones Básicas• Concepto general de realimentación• Tipología de los sistemas de control:
• sistemas de regulación• sistemas de control secuencial
• Automatización de plantas o procesos industriales• Tecnologías para la Automatización• Esquema típico de la Automatización Industrial
• Ejemplos
Tema 1Sistemas Automáticos
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Parte operativa(proceso)ControlSupervisión
Esquema general de un Sistema Automatizado
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Parte operativaControlSupervisión
• Simuladores E/S
• Maquetas
• Lógica cableada• PLC´s• PC+Tarjeta E/S• Microcontroladores• Reg. Digitales• Etc...
• Panel de mando
• PC+SCADA• Simuladores
Esquema general de un Sistema Automatizado
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Sistema Automático: Concepto de Lazo o Bucle
Máquinao
Proceso
Accionadores
Captadores
Pre-accionadores
Unidadde
Control
Nivel deSUPERVISIÓN
óDialogo
Hombre-MáquinaInformaciónelaboradasobre el
funcionamientodel S.A.
Consignas
Informaciónsobre elproceso
Órdeneso Accionesde Control
Parte de MandoParte Operativa
Trabajo
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Todo SA, por simple que sea, se basa en la idea de Bucle o Lazo:
Sistema Automático: Concepto de Lazo o Bucle
CaptadoresMediante los captadores, percibe la condición o estado del proceso
Automatismo o Unidad de ControlEn la U.C. existirá algun “algoritmo” o “principio de control” que en funcióndel estado del proceso, calcula acciones de control u órdenes tendentesa llevar dicho proceso al estado deseado de funcionamiento
ActuadoresDichas órdenes son traducidas a acciones de control, que son aplicadasal proceso mediante los accionadores o actuadores
Nivel de SupervisiónEl automatismo puede generar también información elaborada delproceso o recibir consignas de funcionamiento hacia o desde un nivelsuperior de supervisión
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Lazo abierto y Lazo cerrado
Lazo AbiertoSin concurrencia de la información del estado del proceso.La acción de control no es afectada por la salida del sistema.Ej:• Tostadora• Lavadora automática• Pedal del acelerador (aunque aquí el lazo lo cierra el conductor)
Lazo CerradoLas acciones de control dependen de la referencia y de la propiasalida del sistemaEj:• Piloto automático de un avión• Ducha• Termostato• Sistema de hidratación del cuerpo humano (sed)• etc.
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Ejemplo de sistema en Lazo Abierto:Lavadora
Prelavado12 min
AclaradoGiro lentosin jabón20 min
CentrifugadoGiro 1200 rpm
5 min
LavadoGiro lentocon jabón
20 min
CentrifugadoGiro 1200 rpm
10 min
Tto. antiarrugasGiro muy lento
5 min
Pausa5 minfin
inicio
• En principio sin concurrencia de sensores• Nota: No obstante existen lavadoras que miden nivel de carga y
suciedad: eso sería bucle cerrado
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Control Avión
GPS
Consignas
altituddirecciónvelocidad(Medidas)
+-
altituddirecciónvelocidad
etc.
Ejemplo de sistema en Lazo Cerrado:Sistema de Piloto Automático
perturbaciones:ráfagas de vientocorrientesdensidad aire…
perturbaciones:interf. electromag.
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• Introducción• Definiciones Básicas• Concepto general de realimentación• Tipología de los sistemas de control:
• sistemas de regulación• sistemas de control secuencial
• Automatización de plantas o procesos industriales• Tecnologías para la Automatización• Esquema típico de la Automatización Industrial
• Ejemplos
Tema 1Sistemas Automáticos
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Sist. Automáticos de control Secuencial
Dos grandes tipos de Sistemas Automáticosde control:
Sist. Automáticos de Regulación
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Evento Discreto:Ocurrencia de una característica en la evolución de una señal (flancode subida, paso por un cierto nivel, pulso, llegada de un dato, …).Suele representarse por un valor booleano {0,1}
Sistemas de eventos discretos:Sistemas dinámicos que cambian de estado ante la ocurrencia de eventosdiscretos. Generalmente el estado sólo puede adquirir un conjunto discreto devalores y puede ser representado de forma simbólica en vez de numérica.
Sistemas Automáticos de Control Secuencial
Sistemas Automáticos de Control Secuencial:Son los sistemas automáticos en los que el proceso a controlar es unsistema de eventos discretos
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Sistemas Automáticos de Regulación
Sistemas Automáticos de Regulación:Son los sistemas automáticos en los que el proceso a controlar escontinuo.
Habitualmente se persigue que un conjunto de una o varias variablescontinuas del proceso alcancen valores especificados por otras tantasreferencias o consignas.
Ejemplos:• Piloto automático de control de altura en un avión• Sistema biológico de regulación de la presión arterial• Sistema de control de la posición de un brazo robot• Sistema de control de posición del cabezal de un disco óptico
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VE
NS
NI
Unidadde
Control
Automatismofunción lógica:
si NS=1 entonces VE=0si NI=0 entonces VE = 1
CaptadoresSensores de nivel NS, NI
ActuadoresVálvula todo-nada VE
-
+
qe(t)
VE
h(t)
qs(t)
r(t)
Automatismoqe(t) = K·[r(t)-n(t)]
n(t)
K
CaptadorFlotador
ActuadoresVálvula proporcional VE
Sist. de control Secuencial Sist. de Regulación
ReferenciaSe da una señal dereferencia de formaexplícita
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V1 V2
Pieza
FCS
FCB1
MS
MBR
AUTOMA-TISMO
FCS
FCB2
FCI
FCDFCDFCI
MBR
Ejemplo:Sistema Automático de control Secuencial
PARTE DE MANDO
PARTE OPERATIVAFCB2 FCB1
MS
V1
V2
MBL
MBL
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• Introducción• Definiciones Básicas• Concepto general de realimentación• Tipología de los sistemas de control:
• sistemas de regulación• sistemas de control secuencial
• Automatización de plantas o procesos industriales• Tecnologías para la Automatización• Esquema típico de la Automatización Industrial
• Ejemplos
Tema 1Sistemas Automáticos
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Tecnologías para la Automatización
Tecnología CableadaUniones físicas entre los elementos que constituyen la Unidad de Control quepueden ser dispositivos:Mecánicos, Neumáticos, Hidráulicos, Eléctricos,Electrónicos, etc.
Inconvenientes:• Ocupa mucho espacio• Poca flexibilidad• Mantenimiento costoso• No adaptados a funciones de control
complejas
Ventajas:• Simplicidad• Adecuadas para problemas
sencillos
Ejemplos:• Control de nivel de líquido por flotador• Regulador de Watt• Cuadros de mando por contactores
Familias tecnológicas:• Mecánicos• Neumáticos• Hidráulicos• Eléctricos• Electrónicos, etc.
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Tecnologías para la Automatización
Tecnología ProgramadaUtilización de dispositivos capaces de ejecutar algoritmos, dotados deentradas y salidas analógicas y/o digitales
Inconvenientes:• Complicados y caros para
aplicaciones simples
Ventajas:• Flexibilidad• Ocupan poco espacio• Coste compensa para
aplicaciones de complicaciónmedia/alta
• Mantenimiento sencillo
Ejemplos:• Automatización industrial con PLC’s• Accionamientos de Control Vectorial
basados en DSP’s
Familias tecnológicas:• Microprocesadores (ordenadores
de proceso)• Microcontroladores• Autómatas Programables (PLC’s)• DSP’s
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Regulador IndustrialPID (Ej: DR-20)
sensor detemperatura
Control de Procesos Continuos
resistencia
Periferiadistribuida
Esquema típico de una Automatización Industrial
Nivel de Supervisión:- Comp. de proceso- Monitorización- Interfase hombre-maquina
Control deProcesosDiscretos
preaccionador
válvula
sensoresnivel
proceso
microcontrolador
Alg.Control
DA
AD
Bus de campo
Bus de campo
Periferiadistribuida
Periferiadistribuida
interfase
Procesocontinuo
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Ejemplo:Automatización de un tren de Laminación en Frío
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• Introducción• Definiciones Básicas• Concepto general de realimentación• Tipología de los sistemas de control:
• sistemas de regulación• sistemas de control secuencial
• Automatización de plantas o procesos industriales• Tecnologías para la Automatización• Esquema típico de la Automatización Industrial
• Ejemplos
Tema 1Sistemas Automáticos
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Sistemas que utilizan controlRegulador de bolas de Watt � [Dorf01]
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Sistemas que utilizan controlAviación � [Astrom03]
Hermanos Wright 1903
Piloto automático Sperry 1912
Robert Lee (transoceánico) 1947
V1 and V2 (A4) 1942
Sputnik 1957
Apollo 1969
Mars Pathfinder 1997
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Sistemas que utilizan controlElectrónica/Telecomunicaciones � [Astrom03]
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Sistemas que utilizan controlAutomoción � [Astrom03]
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Sistemas que utilizan controlAutomoción. Control de velocidad de crucero
AUTOMOVIL
Sensorde
velocidad
Control
referenciade velocidad
velociad medida
velocidad realpropulsión
+propulsión
-propulsión
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Sistemas que utilizan controlAutomoción. Sistemas anticolisión
AUTOMOVIL
Sensorde
velocidad
Control
distanciade
referencia
distancia medida
distancia realpropulsión
distancia de referencia
distancia medida
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Sensor micromecánico
Esquema del ESP
Sistemas que utilizan controlAutomoción. Control de estabilidad ESP
http://www.bosch.co.jp/automotive/en/products/pdf/36_37.pdf
http://e-www.motorola.com/webapp/sps/site/application.jsp?nodeId=04J7lV07jSLbtv
Fuentes:
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Sistemas que utilizan controlAeronáutica � [Astrom03]
Estable
Inestable
+Estabilidad -Maniobrabilidad
Diseño deliberadamente inestableEl control estabiliza � se gana en maniobrabilidadEl control se tiene en cuenta a nivel de diseñoEl control es crítico (sistema falla si control falla)
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Sensores Actuadores
Sistemas que utilizan controlOrientación y posicionamiento de Satélites
http://spot4.cnes.fr/spot4_gb/attitude.htm
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Sistemas que utilizan controlPosicionamiento de cabezal en sistemas de almacenamiento de datos
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Sistemas que utilizan controlPosicionamiento de cabezal en un lector de CD �[Astrom03]
Diagrama esquemático de un lector de CD
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Control de glucemia en diabéticosSeguimiento de nivel de glucosa � [Dorf01]
Niveles de glucosa e insulinapara una persona sana
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Sistemas que utilizan controlRobótica �[Murray03]
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Bibliografía
• Franklin, G.F. et al. “Feedback Control of Dynamic Systems”, 4ªedición, Prentice-Hall, 2002.
• Dorf, R.C. et al. “Modern Control Systems”, 9ª edición, Prentice-Hall,2001.
• [Murray03]http://www.cds.caltech.edu/~murray/cdspanel/report/cdspanel-15aug02.pdf
• [Astrom02]http://www.cds.caltech.edu/~murray/courses/cds101/fa02/caltech/astrom-ch1.pdf