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1 1. Introducción al Control Automático 1. Introducción al Control Automático Idea de Control Objetivos del Control Historia Componentes del Lazo Tipos de Control Ejemplos Introducción.doc 1

2 1.1. Idea de Control - tener el control - control sobre un automóvil - control de temperatura de una sala Bases de nuestro curso: Necesidad del conocimiento del sistema o proceso a controlar Estudio de técnicas para el control Cantidad muy grande de sistemas controlados en forma automática: Sistemas diseñados por el ser humano: control de velocidad, posición, nivel, temperatura En seres vivos control de presión de sangre, temperatura, cantidad de azúcar, diámetro de pupilas. 01 Introducción.doc 2

3 Control con realimentación: caso especial. ejemplo heladera o caldera 01 Introducción.doc 3

4 Históricamente se utilizaba el control automático para reemplazar tareas humanas Hoy es usado para: - aumento y constancia (repetitibilidad) en la calidad - mejor rendimiento - menor desperdicio y reprocesado de productos - menos contaminación - mayor margen de seguridad - menor consumo de energía Reducción de 2-10% en los costos operativos representan un monto anual muy importante. 01 Introducción.doc 4

5 - No es fácil controlar un proceso - La entrada afecta a la salida pero la salida afecta la entrada - Es fácil y barato obtener un control de bajo rendimiento Un control de alto rendimiento es caro y requiere: - conocimiento acabado del proceso - conocimiento de su dinámica - comprensión de la teoría de control - buenos sensores - computadoras rápidas Muchas veces no se sabe cuánto cuesta pasar de un control simple a uno más sofisticado Muchas veces no se sabe cuál es el beneficio de pasar de un control simple a uno más sofisticado 01 Introducción.doc 5

6 - Cuáles son los impedimentos para lograr un buen control? Hardware (no es un problema) - comunicaciones rápidas - velocidad de procesamiento - flexibilidad - software amigable Sensores y Actuadores ( sí es un problema) - muchas veces no se comprende lo importante que es esto - a veces no existen sensores - o son muy lentos Tiempo (si) - se necesita muchas horas hombre calificadas para estudiar el problema - diseño, implementación, ajuste es tiempo calificado 01 Introducción.doc 6

7 Cultura (si) - Nivel gerencial o hay que demostrar que se gasta 100K$ para ahorrar 500K$/año o es difícil cuantificar y clasificar el beneficio o los gastos en control no se ven (algoritmos, líneas de código, teoría) - Gente de Proceso y Control o el control no es fácil o se debe pensar más allá del pensamiento actual o a veces las herramientas de diseño no son fáciles de usar - Operadores o el nuevo control no te va a echar, te va a hacer la vida más fácil o hay que hacer las cosas diferentes para conseguir mejores resultados - Docentes o ir más a la práctica o unir la teoría sofisticada con la aplicación 01 Introducción.doc 7

8 El ingeniero de control pasará de diseñar controladores a diseñar procesos 01 Introducción.doc 8

9 Beneficios del Control - Baja escala: mejoras de bajo costo para muchos reguladores de bajo nivel o gasto en educación básica de control o gasto de horas-hombres de personal de control y procesos - Alta escala: cambios costosos para pocos lazos pero con un alto rendimiento. o regulación compleja o supervisión o optimización - Recordar: hay que cuantificar los beneficios!! - Cálculo de la tasa de retorno. Deseable: < a un año 01 Introducción.doc 9

10 - Cómo abordar un problema de control complejo? - Conformar un equipo de trabajo o multidisciplinario: procesistas, controleros, instrumentistas, operadores, gerentes. - - Definir la situación actual: o qué comportamiento exactamente tenemos hoy en día? cómo lo medimos? - Listar las mejoras a introducir o cuál es la mínima mejora aceptable? - Cuantificar los beneficios o ponerlos en cifras $$ o calcular la tasa de retorno - Elegir un método de diseño y solución acorde o hay muchos para elegir o el método en sí no influye en el costo pero puede traer dolores de cabeza 01 Introducción.doc 10

11 - Implementación o pensar en una rápida prototipación para reducir costos y tiempo o pensar en herramientas para depuración (graficación, acceso a variables) - Verificación de resultados o importante para futuros proyectos o escribir todo o hacerlo circular entre gerentes y supervisores 01 Introducción.doc 11

12 La industria tiene músculos El control brinda la destreza para manejar esos músculos 01 Introducción.doc 12

13 1.2. Objetivos del Control Hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculando una señal de entrada (u). Se debe cumplir esto independiente de - d e perturbaciones de entrada - d s perturbaciones de salida - Ĝ imprecisión en el conocimiento de la planta Ejemplo: "mantener el caudal de salida de una bomba teniendo en cuenta variaciones de fricción del fluido con la temperatura, variaciones del caudal de entrada, una medición poco precisa y que no se conoce exactamente las características de la bomba" 01 Introducción.doc 13

14 En todos los casos se debe calcular u 01 Introducción.doc 14

15 - Control con Realimentación Se usa para: - Regulación: controlar un sistema para mantener una condición inicial o estado cero - Seguimiento de referencia: el sistema debe seguir una trayectoria con cierta especificación. Muy común en sistemas mecánicos - Rechazo de perturbaciones: el sistema debe ser inmune a variaciones de carga u otro tipo de cambios. Común en control de procesos. - Generalmente se necesita una combinación de todas llegando a un compromiso. - El conocimiento del procesos es la clave para la solución de los problemas de control - Utilizar la lógica para analizar los problemas - Describir los procesos en diagramas de bloques y modelos - La técnica de diseño del control (Ziegler-Nichols, LQG, H ) es de relevancia secundaria. 01 Introducción.doc 15

16 - Estabilidad un sistema es estable cuando es atraído y permanece en un punto de equilibrio - Estabilidad marginal el sistema tiene una oscilación sostenida - Inestabilidad - el sistema tiene una oscilación creciente o crece constantemente - El control puede - estabilizar un sistema inestable o marginalmente estable - desestabilizar un sistema estable - mejorar la velocidad de respuesta - reducir el efecto de las perturbaciones - reducir el efecto de las incertidumbres 01 Introducción.doc 16

17 1.3. Historia - Control de nivel Sensor y actuador coinciden 01 Introducción.doc 17

18 - Control de Temperatura (1620) - Control de Velocidad de Rotación (1788) Máquina de Watt bolas girando a diferentes diámetros se utilizan como sensor de velocidad varían la salida de vapor 01 Introducción.doc 18

19 01 Introducción.doc 19

20 - Teoría J.C. Maxwell 1868 On Governors ecuaciones diferenciales, linealización, estabilidad, ecuación característica. E. J. Routh 1877 gana premio Adams con su criterio de estabilidad. A. M. Lyapunov 1892 estabilidad (recién se utilizó en control a partir de 1958) H. Nyquist estabilidad en frecuencia H. W. Bode (1945) amplificadores realimentados análisis frecuencial impacto de las comunicaciones Callender (1936) PID para procesos industriales Wiener (1930) procesos estocásticos Kalman y Bellman 1950 optimización y filtrado Pontryagin variables de estados (edo) control óptimo Moscu 1960 nace IFAC AADECA Argentina miembro fundador de IFAC 01 Introducción.doc 20

21 1.4. Componentes del Lazo - Descripción de elementos: Planta Actuador Sensores Referencia Perturbación 01 Introducción.doc 21

23 - Planta proceso o elemento a controlar - Sistema conjunto de elementos que interactúan - Entrada variable del sistema que es posible manejar - Salida variable del sistema que es necesario comandar - Referencia valor al cual debe llegar la salida - Perturbación efecto que altera las condiciones de un proceso - Sensor dispositivo que permite medir una magnitud 01 Introducción.doc 23

24 - Regulador elemento del sistema utilizado para generar la entrada del sistema. 01 Introducción.doc 24

25 1.5. Tipos de Control - Lazo Abierto más estable adecuado cuando se conoce el sistema y las perturbaciones de antemano necesita menos potencia más económico 01 Introducción.doc 25

26 - Lazo Cerrado 01 Introducción.doc 26

28 Usa realimentación menos sensible a perturbaciones tendencia a sobre corregir errores y a inestabilizar el sistema 01 Introducción.doc 28

29 - Control Directo e Indirecto control directo: se controla directamente la variable que se desea corregir control indirecto: se controla otra variable que influye a la principal. Es mejor el control directo. Es importante la elección de las variables de control. - Control Adaptativo se ajusta frente a cambios en la planta - Control Con Aprendizaje aprende en forma heurística la ley de control 01 Introducción.doc 29

30 1.6. Ejemplos - Control de Presión 01 Introducción.doc 30

31 - Control de Velocidad 01 Introducción.doc 31

32 - Control Numérico 01 Introducción.doc 32

33 - Control Digital 01 Introducción.doc 33

34 - Control de Tráfico - Control de Sistemas Biológicos - Control de Sistemas Económicos 01 Introducción.doc 34