ÍNDICE PRIMERA PARTE - TÉCNICAS CLÁSICAS DE CONTROL

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1 Simulaci n y control_primeras.qxp 29/08/ :56 PÆgina xi ÍNDICE PRIMERA PARTE - TÉCNICAS CLÁSICAS DE CONTROL Capítulo 1. Introducción 1.1 Generalidades Servomecanismos Sistemas de control en anillo abierto Sistemas de control en anillo cerrado Función de transferencia o transmitancia Ejercicios Capítulo 2. Estudio dinámico de la transmitancia 2.1 Introducción Transformada de Laplace Transmitancias de sistemas Resistencia eléctrica Bobina eléctrica Condensador eléctrico Pistón hidraúlico Nivel de un tanque Sistema térmico Sistema manométrico Oscilación amortiguada de un muelle Reactor encamisado Válvula de control Batería de dos reactores perfectamente agitados Propiedades adicionales de la transformada de Laplace Teorema del valor inicial Teorema del valor final Teorema del retardo puro Ejercicios Capítulo 3. Análisis temporal 3.1 Introducción Funciones elementales de excitación Escalón unidad Impulso unidad Rampa unidad Función parabólica Función senoidal Respuesta impu1sional Respuesta indicial Respuesta ante una entrada en rampa Análisis temporal de los sistemas de primer orden xi

2 Simulaci n y control_primeras.qxp 29/08/ :56 PÆgina xii Simulación y control de procesos por ordenador 3.7 Análisis temporal de los sistemas de segundo orden Ejercicios Capítulo 4. Diagramas de bloques 4.1 Introducción Bloques en serie Bloques en paralelo Bloques en retroalimentación Bloques en cadenas cruzadas Ejemplo Ejercicios Capítulo5. Análisis frecuencial 5.1 Introducción Representación de la ganancia y del desfase y aplicación a una función de transferencia de primer orden Plano de Bode Plano polar o de Nyquist Plano de Black Representación de la respuesta frecuencial de la función de retardo y = e -Ts Respuesta frecuencial de una transmitancia de segundo orden Plano de Bode Plano polar o de Nyquist Análisis frecuencial de transmitancias compuestas Respuesta frecuencial de los controladores Control proporcional Control proporcional + integral Control proporcional+derivado Control proporcional + integral + derivado Control PID en el diagrama de Nyquist Consideraciones de aplicación de las acciones de control Ejercicios Capítulo 6. Estabilidad 6.1 Estabilidad absoluta Criterio de raíces de la ecuación característica Criterio de Routh Criterio de Hurwitz Criterio de fracciones continuas Criterio de Bode Criterio de Nyquist Criterio del lugar geométrico de raíces Estabilidad relativa Criterio de Bode Estudio del lazo cerrado de control Ejercicios xii

3 Simulaci n y control_primeras.qxp 29/08/ :56 PÆgina xiii Índice general Capítulo 7. Análisis y evaluación de un lazo de control 7.1 Método analítico Análisis de la estabilidad en modo manual Análisis de la estabilidad mediante el ordenador Capítulo 8. Análisis e identificación de procesos 8.1 Respuesta indicial ante una entrada en escalón Respuesta frecuencial Razóm de amortiguamiento a partir de los picos de resonancia Respuesta impulsional Respuesta impulsional de realimentación de relé Método de control P Parámetros del modelo del proceso Capítulo 9. Selección y ajuste de las acciones de control 9.1 Generalidades Método de tanteo Sintonización en lazo cerrado Método de ganancia límite Sintonización en lazo abierto Método de curva de respuesta de Ziegler &Nichols Método de la curva de reacción de Cohen-Coon Métodos de ajuste de reducción del error Método de autoajuste Otros métodos de ajuste Simulación y control de procesos simples Ejercicios Capítulo 10. Elementos finales de control 10.1 Válvulas de control Generalidades Curvas características de la válvula Características de caudal inherentes Características de caudal efectivas Cálculo de la válvula de control. Coeficientes Cv, K v, Kc y C f. Líquidos Cálculo de la válvula de control para gases Cálculo de la válvula de control para vapores Ejemplos de cálculo de válvulas de control Ejercicios Capítulo 11. Otros tipos de control 11.1 Control en cascada Control de relación Control de gama partida Control selectivo Control anticipativo xiii

4 Simulaci n y control_primeras.qxp 29/08/ :56 PÆgina xiv Simulación y control de procesos por ordenador 11.6 Control de procesos discontinuos (batch) Control adaptativo Control distribuido Ejercicios SEGUNDA PARTE - TECNICAS ACTUALES Capítulo 12. Transformada Z 12.1 Generalidades Transformada Z Respuesta impu1sional Respuesta indicial Teoremas del valor inicial y final Funciones de transferencia de pulsos Inversión de la transformada z Función de transferencia de pulsos en lazo cerrado Estabilidad Ecuación del controlador Ejercicios Capítulo 13. Ecuación de estado 13.1 Generalidades Ejercicios de formulación Resolución de la ecuación de estado Resolución manual de un ejemplo Resolución con el ordenador del control de presión en una tubería Ejercicios Capítulo 14. Estabilidad y sistemas de control 14.1 Generalidades Técnicas de Liapunov Correctores Control robusto Control linealizador global Control estadístico del proceso (SPC) Control multivariable Sistemas óptimos de control Sistemas de control adaptativo Control predictivo Sistemas expertos Control por redes neuronales Control por lógica difusa Resumen y conclusiones Ejercicios xiv

5 Simulaci n y control_primeras.qxp 29/08/ :56 PÆgina xv Índice general Capítulo 15. Simulación de procesos 15.1 Secadero tipo «flash» o de evaporación rápida Secadero rotativo Secadero túnel Evaporador de triple efecto Reactor discontinuo Columna de destilación Ejercicios Apéndice - 1 A.1 Código de identificación de instrumentos A.2 Métodos numéricos en simulación digital A.2.1 Integración A.2.2 Resolución numérica de una ecuación diferencial A.2.3 Linealización A.2.4 Métodos de convergencia A.2.5 Operaciones con matrices A.3. Lenguaje Visual Basic de EXCEL (VBA Visual Basic for Applications) A.4 Resolución de los problemas propuestos Apéndice - 2 Glosario Referencias Instrucciones de uso del CD El autor ha empleado en la confección de este libro un ordenador personal TOSHIBA Quosmio G20 con EXCEL y el lenguaje VBA incorporado, el programa PAINT para la captura de imágenes, el programa PHOTOSHOP para los cambios de tamaño del lienzo y de la propia imagen y Microsoft Work para el texto. Las consultas a Internet han sido muy fructíferas para actualizar los conocimientos sobre simulación. El libro contiene una serie de programas escritos en el lenguaje Visual Basic de EXCEL, escogido por ser el de más amplia difusión. En los programas se incluyen algunas aclaraciones de las sentencias para que sean más fácilmente comprendidos por las personas que no han tenido experiencia previa en programación. El objetivo del libro es iniciar al lector en la simulación y el control de Procesos bajo dos puntos de vista: el del control mediante ecuaciones diferenciales y el del control examinado mediante ecuaciones de estado. En el primero, una vez asimilados los capítulos preliminares, se examinan, los controladores PID (proporcional + integra+l derivativo) actuando en realimentación o según otros tipos de control y aplicados a procesos simples como la presión y el caudal en una tubería, el nivel en un tanque y la temperatura en un intercambiador de calor. xv

6 Simulaci n y control_primeras.qxp 29/08/ :56 PÆgina xvi En la segunda parte se examinan las técnicas modernas de control, utilizando las ecuaciones de estado, que como verá el lector, son una potente herramienta para el estudio, no ya de los procesos industriales sino de cualesquiera fenómenos que puedan trasladarse al espacio de estado. Los procesos estudiados se han simplificado en lo posible, conservando sus características propias y obteniéndose así una expresión matemática función de sus parámetros. De este modo, la ejecución de los programas implica, automáticamente, la demanda de dichos parámetros por parte del ordenador, con la consiguiente elección por el lector de cualesquiera valores que posibilitan un fácil cambio en las características del proceso. De esta forma, se dispone de una gran versatilidad en el estudio y en el entrenamiento del control de procesos. El libro está dirigido al jefe u operador de proceso, a ingenierías de proceso, al estudiante y a personas relacionadas directa o indirectamente con los procesos industriales. La obra consta de quince capítulos y un Apéndice. PRIMERA PARTE: En el primer capítulo se examinan los conceptos de interés en el estudio analítico del control de procesos. En el segundo capítulo se estudian ejemplos de aplicación basándose en el estudio dinámico de la transmitancia y usando las transformadas de Laplace. En el tercer capítulo se realiza el análisis temporal con las respuestas ante un impulso y ante un escalón de los sistemas de primero y de segundo orden. En el capítulo cuarto se estudia la descomposición de los elementos del proceso en bloques, con el fin de obtener un bloque resultante que posibilite el estudio del comportamiento global del sistema. El análisis frecuencial figura en el quinto capítulo estudiándose la respuesta de los sistemas de primero y de segundo orden y de los controladores. Los diversos criterios de estabilidad absoluta y relativa se encuentran en el capítulo sexto. En el capítulo séptimo se analiza la estabilidad de un bucle o lazo de control con la obtención del valor de las acciones del controlador mediante la respuesta frecuencial de los elementos del proceso. En el capítulo octavo se estudia el análisis e identificación de procesos. En el capítulo noveno se analizan los métodos prácticos de ajuste de las acciones del controlador para lograr la estabilidad del sistema y se incluyen programas de simulación y control de un intercambiador de calor, de la presión y caudal en una tubería y del nivel de un tanque, que permiten la aplicación de dichos métodos a los procesos simples simulados. El capítulo décimo trata de las válvulas de control, de sus características de selección, y de su cálculo, incluyéndose el programa correspondiente. El capítulo undécimo describe varios tipos de control de aplicación en la industria que complementan y mejoran el clásico control de realimentación. La SEGUNDA PARTE se inicia en el capítulo duodécimo con la transformada Z que en síntesis es análoga a la transformada de Laplace pero aplicada a sistemas discretos. En el capítulo decimotercero se estudia el espacio de estado. Esta es la parte más importante de la obra, por presentar la forma de obtener las ecuaciones que definen el estado de un pro- xvi

7 Simulaci n y control_primeras.qxp 29/08/ :56 PÆgina xvii ceso. Su comprensión es esencial, puesto que si es bien asimilada, permitirá al lector la simulación de un proceso industrial por complicado que sea y con la profundidad que desee; sólo estará limitado por el tiempo disponible para la creación del programa, o por el conocimiento suficiente del proceso, o por la memoria o la rapidez de ejecución del ordenador que utilice. El capítulo decimocuarto examina las técnicas de estabilidad de Liapunov y los sistemas óptimos de control. El capítulo decimoquinto estudia la simulación y control de procesos típicos en la industria, tales como el secadero flash, el secadero rotativo, el secadero túnel, el evaporador de triple efecto, el reactor discontinuo y la columna de destilación. Esta última es controlada en retroalimentación, en control anticipativo (feedforward) y según el control digital directo (DDC). Un Apéndice dedicado al código de representación de los instrumentos de control en los diagramas de flujo y a una exposición resumida sobre las técnicas utilizadas en el texto de integración, resolución númerica, linealización, métodos de convergencia y operaciones con matrices típicas de los programas de simulación de procesos, completan la obra. También se incluye en esta parte la resolución de los problemas propuestos, referencias y un pequeño glosario de los términos empleados en control y en lenguaje VBA (Visual Basic). Se acompaña el libro con un CD en que hay grabados los programas de la obra en lenguaje VBA de EXCEL. Los programas no están compilados sino abiertos de modo que el lector puede ampliarlos o modificarlos de la forma que desee. xvii

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