CREADO POR PROFESOR: ING. GERARDO LEAL UNIVERSIDAD ALONSO DE OJEDA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE COMPUTACIÓN ASIGNATURA: SISTEMAS DE CONTROL PROFESORA: ING. NELSYMAR MILLÁN
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
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 Gas, Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de fabricación, entre otros. Fabrica de Manufactura Planta de Hidrocarburos
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 Objetivo Realidad Elementos y Reglas CONTROL 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. Acción
Concepto de Sistema de Control: Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las condiciones deseadas. Mide el Nivel Velocidad Deseada Conductor Acción Vehículo Velocidad Real Tanque Abre Válvula Acelerador Salida de Fluido Regula el Nivel Medidor Control de Nivel en un Tanque Control de Velocidad en un Vehículo
ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL: - Proceso: Conjunto de operaciones que se van a suceder y que van a tener un fin determinado. El procesamiento se realiza sobre una planta o una máquina, que son el conjunto de componentes y piezas que van a tener un determinado objetivo. - Actuador: Como el nombre indica es el componente encargado de actuar sobre el proceso o máquina en función de la señal recibida del amplificador. El actuador modifica la variable de entrada del proceso controlado, por ejemplo, una corriente eléctrica que circula por la resistencia del radiador, en un sistema de control de temperatura; una corriente de fluido por una tubería, en un sistema de control de caudal; etc. - Amplificador: Elemento que aumenta la amplitud o intensidad de un fenómeno. Tiene por finalidad amplificar la señal de error con objeto de que alcance un nivel suficiente para excitar el actuador. - Comparador: Elemento que compara la señal controlada con la señal de referencia para proporcionar la señal de error. El resultado de la comparación representa la desviación de la salida con respecto al valor previsto. Se le conoce también como detector de error. - Generador del valor de referencia o consigna: Componente capaz de generar una señal análoga a la señal de salida que se quiere gobernar; esta señal de referencia es la encargada de imponer el valor deseado en la salida.
ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL: -Transductor: Dispositivo que transforma un tipo de energía en otro más apto para su utilización. Si la energía transformada es en forma eléctrica se llama sensor. Por ser el instrumento encargado de detectar la señal de salida para utilizarla de nuevo en el proceso de realimentación se le llama en los sistemas de control captador. Acondicionador de señales: Bloque que adapta la señal transformada por el transductor a los niveles adecuados del comparador. Controlador: Elemento de los sistemas digitales que incluye las funciones del comparador, el amplificador y el acondicionador de señales
ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL: Proceso: Es el objeto o elemento a regular, es decir donde se darán los cambios. Variables: Variable Controlada: variable a mantener dentro de ciertas condiciones. Variable Manipulada: variable modificada intencionalmente para influir en la variable controlada. Valor Deseado: valor de referencia al cual se quiere llevar la variable controlada. Variable de Perturbación: variable que produce desviación entre la variable controlada y el valor deseado. Instrumentos: Medidor: elemento a través del cual se visualiza el comportamiento de las variables. Controlador: dispositivo que permite evaluar las condiciones para emitir las acciones de control. Actuador: dispositivo que ejecuta la acción de control directa sobre el proceso.
FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN APLICADOS AL CONTROL : Variables: se relacionan con la naturaleza del proceso a controlar. Son tan diversas como los procesos. Ejemplo: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Corriente, Voltaje, Densidad, Peso, Posición, Frecuencia, etc. Instrumentos: dispositivos que miden, indican, controlan, almacenan información, manipulan mecanismos y modifican estados. Influyen en las variables y los estados del proceso. La Instrument Sociaty American (ISA) establece la nomenclatura y simbología de los instrumentos utilizados en la ingeniería de control. Permite identificar y representar los sistemas de control a través de los diagramas de instrumentación. El formato para la identificación del instrumento según la ISA es el siguiente: XXYY ZZ NN XXYY: Identificación del Instrumento. Este código esta formado por dos subcodigos. El primero (XX) se refiere a la variable y el segundo a la función del instrumento. ZZ: Identificación del Lazo o Área en el cual se encuentra ubicado el instrumento. NN: Identificación del número del instrumento en una misma función. (Opcional)
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL: Sistema de Control de NIVEL Tanque de Agua Flotador Proceso: Tanque Variable controlada: Nivel Tanque Variable manipulada: Flujo entrada Valor deseado: Altura del tanque Variable de perturbación: Filtración Medidor: Flotador Actuador: Flotador Controlador: Flotador Tanque de Agua Válvula Proceso: Tanque Variable controlada: Nivel Tanque Variable manipulada: Flujo salida Valor deseado: Altura del tanque Variable de perturbación: Filtración Medidor: Observador (persona) Actuador: Válvula Manual Controlador: Operador (persona) V-1
CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN CONTROL : Función: Controlador: ejecuta algoritmos de control Transmisor: mide y transmite variables en forma de señales Válvulas: ejecutan acciones sobre los procesos Elementos finales: ejecutan acciones. Relés, bombas. Convertidores I/P: convierten señales de presión a corriente Sensores: detectan una condición del proceso SIMBOLOGIA PARA DIAGRAMA DE INSTRUMENTOS : Energía: Electrónico: funciona con corriente, voltaje. Neumático: funciona con presión de aire Hidráulico: funciona con presión de aceite Señal: Analógica: funciones continuas. Rango de valores. (Presión, temperatura, tiempo, etc.) Digital: funciones binarias. Dos estados (ON/FF) XXYY s ZZ-NN E-1 SIMBOLO Válvula V-1 Manual Válvula Control V-2 Neumática Válvula Control Motorizada V-3 V-4 Válvula Solenoide Bomba Eléctrica INSTRUMENTO (TRANSMISOR, CONTROLADOR, ETC) - CONEXIÓN AL PROCESO O ENLACE MECANICO CONEXIÓN SEÑAL NEUMATICA (PRESIÓN AIRE) CONEXIÓN SEÑAL HIDRAULICA (PRESIÓN ACEITE) CONEXIÓN SEÑAL ELECTRICA (ELECTRONICO) CONEXIÓN SEÑAL ELECTROMAGNETICA ( INALAMBRICO)
TABLA PARA LA IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS : TT-A1-2 Transmisor de Temperatura del Área A1, Instrumento 2 FRC-10-2 Controlador Registrador de Flujo del Área 10, Instrumento 2 FT-12-1 Transmisor de Flujo del Área 12, Instrumento 1. LSL-10-1 Interruptor de Bajo nivel del Área 10, Instrumento 1. PDI-10-1 Indicador de Presión Diferencial del Área 10, Instrumento 1.
EJEMPLOS DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN: El siguiente diagrama de instrumentación de un proceso industrial, corresponde a un intercambiador de calor utilizado para calentar un fluido. Un transmisor de temperatura (TT) permite medir la temperatura del fluido e indica a un controlador (TC) para que este opere una válvula que deja pasar vapor hacia el recipiente. Identificar los elementos del sistema de control. Entrada fluido Intercambiador Proceso: Intercambiador de Calor Variable controlada: Temperatura fluido Salida fluido Variable manipulada: Flujo Vapor Valor deseado: Temperatura T Válvula TT Transmisor de Temperatura Variable de perturbación: Temp. Externa Medidor: Transmisor de Temperatura TT Actuador: Válvula TC Controlador de Temperatura Controlador: Controlador TC Vapor Valor deseado T
EJEMPLO DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN: Dibujar un diagrama de proceso e instrumentación, para controlar la presión de una la línea de gas, utilizando una válvula de control neumática y un controlador electrónico. CONTROLADOR DE PRESIÓN ( ELECTRONICO ) IP PC MEDIDOR (TRANSMISOR DE PRESIÓN ) PT 01-1 01-1 CONVERTIDOR ( CORRIENTE A PRESIÓN ) S -7 01-1 SP (VALOR DESEADO ) F LÍNEA DISTRIBUCIÓN DE GAS PV -01-1 VALVULA NEUMATICA PARA CONTROL DE PRESIÓN
DIAGRAMA 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: DESCRIPCIÓN Flechas: representan las variables controladas y no controladas (Señales). 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. Punto de Suma: Este se representa por un círculo e indica que la salida es igual a la suma de las dos señales que entran, o la resta en caso de que aparezca el signo negativo. Existen dos nomenclaturas posibles, ya sea con los signos al exterior, en cuyo caso la ausencia de signo indica una suma, o separando el círculo en segmentos mediante una X y asignando el signo dentro del segmento correspondiente. Punto de ramificación o de reparto: Es el lugar donde la señal se separa para seguir dos o más trayectorias. En otras palabras indican que una variable se usará en varios bloques. REPRESENTACIÓN GRÁFICA
DIAGRAMA 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
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 EJEMPLO: RESISTENCIA DE CALENTAMIENTO AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR OPERACIONAL + - + R T2 MEDIDOR DE TEMPERATURA - POTENCIOMETRO
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. Influencia Control a Lazo Abierto: Es aquel en el que la salida no influye sobre la acción de control. Su esquema básico es: ENTRADA SISTEMA DE REGULACION Señal de Regulación PROCESO, OBJETO SALIDA 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 ENTRADA SISTEMA, PROCESO, OBJETO Señal de Regulación Observación SALIDA Señal de Medición SISTEMA DE REGULACION
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
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: