UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

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1 UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

2 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: Proceso Planta Control Sistema

3 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 as, Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de fabricación, entre otros. Planta de Hidrocarburos Fabrica de Manufactura

4 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 SISTEMA Salida 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

5 DIARAMA 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 (Señale. 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.

6 DIARAMA 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

7 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 R T2 MEDIDOR DE TEMPERATURA POTENCIOMETRO -

8 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 SISTEMA DE REULACION PROCESO, OBJETO SALIDA Señal de Regulación

9 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: Influencia Perturbaciones Observación ENTRADA SISTEMA, PROCESO, OBJETO SALIDA Señal de Regulación Señal de Medición SISTEMA DE REULACION

10 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

11 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:

12 Diagramas de bloques La relación causa y efecto de la función de transferencia, permite representar las relaciones de un sistema por medios diagramáticos. Diagrama a bloques Los diagramas de bloques de un sistema son bloques operacionales y unidireccionales que representan la función de transferencia de las variables de interés. Consideraciones: Tiene la ventaja de representar en forma más gráfica el flujo de señales de un sistema. Con los bloques es posible evaluar la contribución de cada componente al desempeño total del sistema. No incluye información de la construcción física del sistema (Laplace). El diagrama de bloques de un sistema determinado no es único.

13 Diagramas de bloques Elementos de un diagrama a bloques Variable de entrada Función de transferencia ( Variable de salida Flecha: Representa una y solo una variable. La punta de la flecha indica la dirección del flujo de señales. Bloque: Representa la operación matemática que sufre la señal de entrada para producir la señal de salida. Las funciones de transferencia se introducen en los bloques. A los bloques también se les llama ganancia.

14 Diagramas de bloques Diagrama de bloques de un sistema en lazo cerrado R ( E ( C( ( + - punto de suma B( H ( punto de bifurcación B( E( Función de transferencia en lazo abierto ( H ( C( E( Función de transferencia trayectoria directa ( Función de transferencia lazo cerrado C( ( R( 1 ( H (

15 Diagramas de bloques Reducción de diagrama de bloques Por elementos en serie R ( D( 1( s C( ) 2( s R ( C( ) ( ) 1( 2 s Por elementos en paralelo R( 1( s ) + + C( R ( C( ( ) 1( 2 s 1( s )

16 Diagramas de bloques Reducción de diagrama de bloques Por elementos en lazo cerrado R ( E ( C( + - ( B( H ( R ( ( C( 1 ( H ( La simplificación de un diagrama de bloques complicado se realiza mediante alguna combinación de las tres formas básicas para reducir bloques y el reordenamiento del diagrama de bloques utilizando reglas del álgebra de los diagramas de bloques.

17 Diagramas de bloques Reducción de diagrama de bloques Reglas del álgebra de los diagramas de bloques Diagrama de bloques original A A A B + - B Diagrama de bloques equivalente A B + - A B 1 A B B A A A A A A

18 Diagramas de bloques Reducción de diagrama de bloques Reglas del álgebra de los diagramas de bloques Diagrama de bloques original Diagrama de bloques equivalente A A A A A 1 A A B A B 2