UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA DE INGENIERIA EN ENERGIA MODULO 4

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA DE INGENIERIA EN ENERGIA MODULO 4 CURSO: CONTROL AUTOMATICO PROFESOR: MSC. CESAR LOPEZ AGUILAR INGENIERO EN ENERGIA-INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA I. CONTENIDO 1. DEFINICIONES 2. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO 3. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO 4.PRACTICA N 04 II. OBJETIVO Conocer las definiciones de control automático e Identificar los Sistemas de Control. III. BIBLIOGRAFIA W. Bolton, Año 2001 Ingeniería de Control. Cap. 1

2 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 2 1. Definiciones Qué es un sistema? Un sistema es cualquier objeto (real o conceptual) que consta de Componentes Estructura Entorno Se emplea el Término Sistema para describir un conjunto de componentes, alrededor de los cuales se dibuja una frontera imaginaria de modo que solo es de interés la interacción entre la entrada o entradas y su salida o salidas, sin necesidad de estudiar en detalle los componentes que los forman. A continuación se muestra un sistema energético.

3 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 3 1. Definiciones A continuación se muestra un sistema energético de una estación de generación eléctrica. El sistema es la Estación de generación. La Entrada es el combustible La salida es la electricidad Este sistema no tiene sistema de control, para lo cual debemos saber, cual es la relación entre combustible y electricidad, si aumento el combustible aumenta la electricidad, que equipos se van a utilizar para medir la electricidad y el combustible, cuales son las variables de medición. Entrada Combustible Estación de generación de Energía Salida Electricidad

4 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 4 1. Definiciones Al agregar un sistema de control, nuestro sistema energético de la estación de generación DE ENERGÍA, queda representado en el siguiente diagrama de sistema. Se puede decir que el sistema de control controla la entrada para modificar el sistema, modificando la salida, de acuerdo a las necesidades del sistema. Entrada Combustible Estación de generación de Energía Salida Electricidad SISTEMA DE CONTROL

5 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 5 Otro ejemplo del sistema energético, que controlaremos más adelante es el tanque de calentamiento de agua, que se muestra en la figura La salida es el agua caliente dentro del tanque (temperatura, por ejemplo 60 C La entrada es el caudal vapor (Kg/s), con lo que caliento el agua a la temperatura deseada(60 C)

6 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 6 Para controlar el agua caliente, debo saber la relación matemática entre la temperatura del agua caliente y el caudal del vapor. Si aumento la cantidad de vapor, aumenta la temperatura, entonces estaré CONTROLANDO. El sistema anterior, queda representado de la siguiente manera. Vapor Caudal (Kg/s) Entrada TANQUE DE AGUA CALIENTE Salida Agua caliente Temperatura( C) SISTEMA DE CONTROL

7 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 7 Veamos algunas definiciones Sistema: Planta, Objeto, Proceso, Equipo o Máquina que se desea controlar Salida: Variable que indica el comportamiento que deseamos controlar (debe ser medible) Entrada: Variable manipulable que afecta el comportamiento de la planta y por lo tanto la salida. Un sistema de una entrada y una salida se denomina SISO (single input, single output) Si tiene varias entradas y varias salidas se denomina MIMO (multiple input, multiple output). En nuestro curso solo desarrollaremos SISTEMAS SISO. Variables del sistema: son todas las magnitudes, sometidas a vigilancia y control, que definen el comportamiento de un sistema (velocidad, temperatura, posición, etc.).

8 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 8 Sistema de Control, es aquel en el que la salida del sistema se controla para obtener un valor específico o cambiarlo, según lo determina la entrada del sistema. Se compone del sensor, el controlador, el actuador, el amplificador, el transductor Sensor: Dispositivo empleado para medir las variables de interés de la planta (normalmente las salidas) Actuador: Dispositivo que nos permite manipular las variables de entrada del sistema. Controlador: Cualquier dispositivo que genera una acción de control sobre el actuador para lograr el comportamiento deseado. Transductor: transforma una magnitud física en otra que es capaz de interpretar el sistema. Amplificador: nos proporciona un nivel de señal procedente de la realimentación, entrada, comparador, etc, adecuada al elemento sobre el que actúa. Estos elementos forman parte del Sistema de control.

9 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 9 SISTEMA DE CONTROL Los sistemas de control pueden ser: 1. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO 2. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO

10 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Es aquél en el que la señal de salida no influye sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de su calibración, de manera que al calibrar se establece una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada. El diagrama de bloque de un sistema en lazo abierto es: El sistema se controla bien directamente, o bien mediante un transductor y un actuador. El esquema típico del sistema será, en este caso El transductor modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada al sistema de control. 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 10

11 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 11 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO En el caso del sistema de control de la temperatura de una habitación, para que sea un sistema abierto es necesario que no exista termostato, de manera que siga funcionando permanentemente. La entrada del sistema sería la temperatura ideal de la habitación; la planta o proceso sería la habitación y la salida sería la temperatura real de la habitación. El transductor podría ser un dial en el que definamos el tiempo de funcionamiento y el actuador el propio foco de calefacción (caldera o radiador). El actuador o accionador modifica la entrada del sistema entregada por el transductor (normalmente amplifica la señal). Una lavadora automática sería un claro ejemplo de sistema de control en lazo abierto. La blancura de la ropa (señal de salida) no influye en la entrada(cantidad de detergente). La variable tiempo presenta una importancia fundamental: si está bien calibrada, cada proceso durará el tiempo necesario para obtener la mejor blancura.

12 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 12 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Otro ejemplo de sistema en lazo abierto sería el alumbrado público controlado por interruptor horario. El encendido o apagado no depende de la luz presente, sino de los tiempos fijados en el interruptor horario. El control de este sistema energético no es eficiente durante el verano.

13 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 13 Un sistema de control en lazo cerrado es aquél en el que la acción de control es, en cierto modo, dependiente de la salida. La señal de salida influye en la entrada. Para esto es necesario que la entrada sea modificada en cada instante en función de la salida. Esto se consigue por medio de lo que llamamos realimentación o retroalimentación (feedback). La realimentación es la propiedad de un sistema en lazo cerrado por la cual la salida (o cualquier otra variable del sistema que esté controlada) se compara con la entrada del sistema (o una de sus entradas), de manera que la acción de control se establezca como una función de ambas.

14 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 14 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO En este esquema se observa cómo la salida es realimentada hacia la entrada. Ambas se comparan, y la diferencia que existe entre la entrada, que es la señal de referencia o consigna (señal de mando), y el valor de la salida (señal realimentada) se conoce como error o señal de error. La señal que entrega el controlador se llama señal de control o manipulada y la entregada por la salida, señal controlada. El error, o diferencia entre los valores de la entrada y de la salida, actúa sobre los elementos de control en el sentido de reducirse a cero y llevar la salida a su valor correcto. Se intenta que el sistema siga siempre a la señal de consigna.

15 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO La salida del sistema de regulación se realimenta mediante un captador. En el comparador o detector de error, la señal de referencia (salida del transductor) se compara con la señal de salida medida por el captador, con lo que se genera la siguiente señal de error: e(t) = r(t) b(t); donde e(t) es la señal de error, r(t) la señal de referencia y b(t) la variable realimentada. Pueden suceder dos casos: 1- Que la señal de error sea nula. En este caso la salida tendrá exactamente el valor previsto. 2- Que la señal de error no sea nula. Esta señal de error actúa sobre el elemento regulador que a su salida proporciona una señal que, a través del elemento accionador, influye en la planta o proceso para que la salida alcance el valor previsto y de esta manera el valor se anule. 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 15

16 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar PRACTICA N 04 Trabajo individual (presentar en horas de práctica) 1. Representar dos Sistemas Energéticos, especificar sus entradas y salidas. 2. Representar un sistema de control de Nivel, teniendo como referencia el equipo de la UCP EDIBON 3. Construir un diagrama de lazo cerrado y abierto, para el control del Nivel y Temperatura, teniendo como referencia el equipo de la UCP EDIBON 4. Explicar la diferencia entre los sistemas de control en lazo abierto y lazo cerrado. 5. Establecer cuáles de los siguientes sistemas de control son en lazo abierto o en lazo cerrado y dar las razones de sus aseveraciones: a) Una tetera eléctrica que se apaga cuando el agua hierve b) Un refrigerador c) Una hornilla eléctrica sin termostato.

17 08/10/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar PRACTICA N 04 Trabajo individual (presentar en horas de práctica) 6. Los semáforos en cruce de calles puede ser un sistema de control en lazo abierto o en lazo cerrado. Explicar como difieren los sistemas. 7. El control del alumbrado público en calles puede ser un sistema de control en lazo abierto o en lazo cerrado. Explicar como difieren los sistemas. 8. Dibujar un diagrama de cajas negras donde se muestren los subsistemas delos siguientes sistemas de control en lazo cerrado: a) Un horno controlado por termostato b) Una Luz automática enciende cuando se oscurece y se apaga cuando se aclara. c) Un refrigerador domiciliario.