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MEC 284 C01 DiaposAdicionales
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ELIZABETH VILLOTA
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MEC284-C01 INTRODUCCIÓN AL CONTROL AUTOMÁTICO
OBJETIVOS
o Proveer información general acerca del curso - describir la estructura del curso, método de evaluación, aspectos administrativos, etc.
o Introducir los conceptos de realimentación, control automático y automatización.
o Presentar los principales componentes de un sistema de control (por realimentación).
o Describir cómo funcionan los sistemas de control así como sus principales características
o Presentar la secuencia lógica en el desarrollo de los temas del curso.
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AUTOMATIZACIÓN EN LA VIDA DE LAS PERSONAS
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Máquina de tickets
Automatización
de vehículos
Ambiente de trabajo parcialmente
automatizado
Sistema de apoyo para el cuidado de personas de la tercera edad
Y más…
INGENIERÍA DE CONTROL
• Es una disciplina de ingeniería que aplica teoría de control para diseñar sistemas con comportamiento deseado.
• En la práctica, usa sensores para medir lo importante (o posible) del sistema (proceso) a ser controlado, un controlador para interpretar los datos y decidir sobre qué acciones tomar, y actuadores que son los que finalmente ejectuan dichas acciones.
4
(Pla
nt)
Perturbations
INGENIERÍA DE CONTROL
• VEHICULO:
Comportamiento deseado (objetivo): movimiento a velocidad constante vr.
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Perturbations
INGENIERÍA DE CONTROL
• VEHICULO:
Comportamiento deseado (objetivo): movimiento a velocidad constante vr.
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Perturbations
CONTROL AUTOMÁTICO Y AUTOMATIZACIÓN
• Cuando el comportamiento de un sistema es corregido sin intervención humana se denomina control automático.
• La acción o efecto de controlar u operar de forma automática es llamada automatización.
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Consiste en equipar productos con funcionalidad tal que puedan llevar a cabo sus tareas totalmente o parcialmente de forma automatizada.
Ejemplos: lavadoras, celulares, aviones.
Bloques funcionales para la
automatización de productos.
Se incluye también una fuente de energia que provee potencia para toda la operación. El sistema de intercambio de información representa una activación externa, la generación de un reporte del estado o la sincronización necesaria con otras partes del sistema más grande.
Handbook of Automation, Springer 2009
AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS
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Turbina a vapor.
Handbook of Automation, Springer 2009
AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS
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Planning and Design of Engineering Systems, 2008
AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS
• Producto puede ser entendido como un sistema.
• Un sistema es una colección de componentes interrelacionados que interactúan juntos de manera organizada para cumplir un propósito o función específca.
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Sensores: para automatizar un dispositivo se requieren sensores para inspeccionar el ambiente y proveer información en relación a la reacción del dispositivo.
El tipo de sensor adecuado para un producto depende mucho de la tarea que realiza el mismo producto.
AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS
Parámetros físicos medidos por un sensor
Propiedades mecánicas distancia, velocidad, aceleración, posición, ángulo,
flujo de masa, nivel, tensión, movimiento,
vibración
Propiedades
termodinámicas
temperatura, presión, densidad, composición
Propiedades eléctricas Voltaje, corriente, fase, frecuencia, conductividad
Propiedades magnéticas campo magnético
Otras propiedades radioactividad
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Sistema de control: contiene todos los algoritmos (lógicas de cálculo) que proveen una operación apropiada al dispositivo.
Las señales de los sensores, ya sea de forma análoga o digital , tiene que ser
interpretadas y comparadas con un modelo de la tarea del dispositivo tal que sea puedan iniciar los actuadores.
AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS
Actuadores: son los dispositivos a través de los cuales el controlador actúa sobre el sistema. Como en el caso del sensor, el tipo de actuador depende de la aplicación.
Mecanismos de generación de entradas de actuación
Movimientos mecánicos resortes, dispositivos neumáticos e hidráulicos,
fuerzas magnéticas, válvulas o energía térmica
Cambio en las propiedades
termodinámicas
variaciones de presión, calentamiento o
enfriamiento
Propiedades eléctricas Carga o descargas de capacitores, aplicación de
voltaje y corriente.
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AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS
Intercambio de información con otros sistemas: para operar de forma automática un dispositivo se debe comunicar con su ambiente.
Los sistemas independientes (autónomos o inteligentes) emplean sensores para observar parámetros externos y sobre esa base toman sus decisiones.
En su mayoría, el dispositivo automático se comunica con dispositivos contiguos o con un sistema de control de alto nivel.
Para cuando se requiere que el operador se comunique con el dispositivo, se necesita una interfaz hombre-máquina.
Algunos sistemas de control requieren intercambiar información en ambas direcciones, para activar un dispositivo, obtener un reporte de estado o sincronizar con otros dispositivos en un sistema más grande.
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Fuente de energía: se requiere energía (mecánica, térmica, eléctrica) para que el dispositivo realice su función principal. También se requiere energía para operar los sensores, actuadores, sistemas de control, así como los canales de comunicación dentro y fuera del dispositivo.
AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS
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Es usado para maximizar la producción manteniendo la calidad y seguridad del producto a un nivel deseado y haciendo el proceso más económico. Ejemplos: producción de químicos, de papel, de metales, comida, etc.
5 niveles del control y optimización de procesos en
manufactura.
Las escalas de tiempo se muestran en todo nivel.
Handbook of Automation, Springer 2009
AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
16 Producción de elevadores.
Handbook of Automation, Springer 2009
AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
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Planning and Design of Engineering Systems, 2008
AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
• Un proceso es una secuencia de eventos que involucran un cambio progresivo en el tiempo.
• Existen procesos de manufactura, procesos de deterioro, y procesos químicos, biológicos y químicos.
• A menudo un proceso ocurre en, o es generado por, un sistema o un componente de un sistema.
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 1: Medición y actuación. Dispositivos de medida (sensores, transmisores) y equipo de
actuación (por ejemplo, válvulas de control) son usadas para medir las variables del proceso e implementar las acciones de control calculadas. Estos dispositivos interactúan con el sistema de control, usualmente un computadora.
Nivel 2: Seguridad y medioambiente / protección de equipos. Este nivel juega un rol importante al asegurar que el proceso es
operado de forma segura y satisface regulaciones ambientales. Se basa en el principio de múltiples capas de protección. Una capa puede incluir gestión de alarmas en situaciones anormales y sistemas instrumentados para paradas de emergencia.
El equipo de seguridad es independiente de la instrumentación normal.
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 3a: Control regulatorio. La operación exitosa de un proceso requiere que variables
claves tales como tasas de flujo, temperatura, presión, y concentraciones, sean operadas a, o cerca de, sus setpoints (referencias constantes).
Se usan técnicas de control por realimentación y alimentación directa.
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
Nivel 3b: Control multivariable y con restricciones. Los problemas de control de procesos presentan (1)
interacciones significativas entre variables de procesos clave, y (2) restricciones de desigualdad para variables manipulada y controlada.
Por ejemplo, la tasa de flujo manipulada presenta un limite superior determinado por la bomba y las características de la válvula de actuación. Limites en la variable controlada reflejan restricciones en el equipo (limites metalúrgicos) y los objetivos de operación del proceso (la temperatura de un reactor puede tener un limite superior para evitar degradación y un limite inferior para garantizar que ocurra la reacción).
Uso de técnicas de control multivariable y control predictivo basado en modelos (MPC).
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 4: Optimización en tiempo real. Las condiciones de operación óptimas para una planta son
determinadas como parte del proceso de diseño, pero durante operación las condiciones óptimas cambian dependiendo de la disponibilidad de equipos, disturbios del proceso, y condiciones económicas (precio de materiales y del producto). En consecuencia puede ser beneficioso recalcular las condiciones de operación regularmente. Estas nuevas condiciones óptimas se fijan como setpoints para las variables controladas.
Los cálculos de optimización en tiempo real son basados en modelos en estado estacionario de la planta y datos económicos tales como costos y valores de los productos (minimización de costos o maximización de ganancias). Esta optimización se puede realizar a una unidad individual o toda la planta.
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 5: Planificación y programación. El nivel más alto del control procesos corresponde a la
planificación y programación de las tareas para toda la planta. La producción debe ser planificada y coordinada basada en restricciones de equipos, capacidad de almacenamiento, operación de otras plantas, etc. Para las operaciones intermitentes por lotes, el problema de control de producción se convierte en un problema de programación de lotes.
Luego planificación y programación son problemas de optimización a gran escala basados en consideraciones de ingeniería y proyecciones de negocios.
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
La pirámide de la automatización.
Cómo organizar la implementación
de automatización.
Handbook of Automation, Springer 2009
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Servicio: provisión de actividades que una empresa/máquina/ persona requiere.
Pasos principales en el servicio de mantenimiento industrial. Existe un nivel de
recolección de información, análisis, e intercambio y un elemento de logística, incluido el transporte físico. Los aspectos relacionados a la información han alcanzado un nivel alto de automatización a la fecha.
Handbook of Automation, Springer 2009
AUTOMATIZACIÓN DE SERVICIOS
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AUTOMATIZACIÓN DE SERVICIOS
Estrategia de mantenimiento para extender el ciclo de vida útil de una planta:
Varios abordajes para el mantenimiento durante el ciclo de vida de una planta
industrial.
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AUTOMATIZACIÓN DE SERVICIOS
Estrategia de mantenimiento para extender el ciclo de vida útil de una planta:
En términos técnicos, un servicio óptimo es basado en: • Monitoreo de desempeño del equipo en tiempo real . • Extrapolación basada en conocimiento del desempeño
futuro. • Conocimiento acerca del uso del equipo en el ambiente
industrial. • Canales adecuados de comunicación entre proveedor de
equipo y personal de mantenimiento. • Acceso a datos relevantes de equipos. • Acceso a hardware y herramientas para restaurar el
desempeño del equipo eficientemente.
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AUTOMATIZACIÓN DE SERVICIOS
Estrategia de mantenimiento para extender el ciclo de vida útil de una planta:
El servicio de mantenimiento se realiza una vez que la planta industrial o subsistemas han sido instalados y están operando.
Para el operador es de suma importancia que el equipo esté disponible. Paradas programadas pueden para cambios programados pueden ser aceptadas, sin embargo no es el caso para los eventos inesperados.
Mientras mejor preparado esté el personal de mantenimiento para reaccionar a eventos inesperados, el servicio será más apreciado.
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Diseño de un CNC y proceso de maquinado
(DSP –digital signal processor, FFT -fast Fourier transform, FRF -frequency response function, PID controller, PPC -pole placement controller, CCC -cross coupling controller, ZPETC – zero phase error tracking controller, I/O– input/output, MT – machine tool)
Handbook of Automation, Springer 2009
AUTOMATIZACIÓN DE MÁQUINA HERRAMIENTA
¿QUÉ ES REALIMENTACIÓN?
Diccionario RAE
Retorno de parte de la salida de una máquina, sistema o proceso a su propia entrada
Realimentación = interconexión mutua de dos sistemas
Sistema 1 afecta a sistema 2
Sistema 2 afecta a sistema 1
Realimentación (principio de diseño) presente en
los sistemas naturales, sociales, económicos y de ingeniería
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LAZO CERRADO
robótica
(nano) satélites
automóviles
SonyAIBO Robot
buques
European Power Network
redes de generación y transmisión de potencia metal organic chemical
vapor deposition (MOCVD) reactor
procesamiento de materiales
CONTROL POR REALIMENTACIÓN EN INGENIERÍA
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sistema multinivel para servicios en internet
CONTROL POR REALIMENTACIÓN EN LA NATURALEZA
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Sistemas biológicos
Regulación fisiológica (homeostasis), redes regulatorias biomoleculares
Sistemas ambientales Ecosistema microbial, ciclo global del carbono
CONTROL POR REALIMENTACIÓN EN OTROS SISTEMAS
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producción en masa (realimentación positiva)
cadena de suministros
EJEMPLO: CONDUCIR UN VEHICULO A UNA VELOCIDAD DADA
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Objetivo: Sistema en lazo cerrado estable y desempeño robusto aún en la presencia de disturbios/incertezas.
http://www.cds.caltech.edu/~murray/amwiki/Main_Page
Planta Controlador
Conductor Carro
Disturbios/incertezas están en todas partes!
Referencia Presionar
Velocidad
SISTEMA BÁSICO DE CONTROL POR REALIMENTACIÓN
Sensor
Velocímetro
-
Actuador
Pedal gas
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OBJETIVO DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
• Estabilidad: asegurar operación estable del sistema. Respuesta se establece en un valor constante u oscila con respecto a él.
• Desempeño: asegurar respuesta deseada. Calidad de la respuesta (rapidez, error, etc).
• Robustez: asegurar operación estable con similar desempeño aún con variaciones externas o internas.
• Disturbios: eventos externos que afectan a la planta.
• Incertezas: desconocimiento de ciertos parámetros de la planta.
• Perturbaciones: disturbios o incertezas.
PROPIEDADES DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
Robustez a la incerteza. Modelo de la planta, CI y ruido del sensor son fuentes de incerteza.
• Idea: sensores permiten comparar valores reales y deseados, corrección a
través de ley de control y actuación
Modifica la dinámica del sistema. Dota de estabilidad y rapidez a sistemas inestables y lentos.
• Idea: interconexión provee lazo cerrado que modifica el comportamiento
natural
Facilita automatización (toma de decisiones). • Idea: interconexión permite inclusión de computadoras para implementar ley
de control
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DESVENTAJAS DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
Posibilidad de inestabilidad • El lazo cerrado modifica la dinámica natural
Inyección de ruido • Sensores incorporan ruido a sistema en lazo cerrado
Complejidad • No cualquiera puede usarlo
Fragilidad • Optimización en relación a ciertas condiciones, no hay garantías de buen
funcionamiento si se cambian condiciones no consideradas
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EN LA PRÁCTICA: Recursos limitados y tradeoffs fundamentales
TIPOS DE CONTROL : LAZO ABIERTO Y LAZO CERRADO
Control en lazo abierto No realimentación
Controlador no observa la salida del sistema
Entrada de control se calcula en función al estado inicial y al modelo de la planta
No compensa por disturbios en el sistema
Control en lazo cerrado Usa realimentación
Acción correctiva calculada en base al error entre el estado actual y el estado deseado
Compensa por disturbios del sistema e incertezas
Mantener el nivel del líquido en el tanque a un valor constante
CONTROL POR ALIMENTACIÓN DIRECTA (FEEDFORWARD)
Mantener la temperatura del fluido de proceso
ALIMENTACIÓN DIRECTA:
Compensa por disturbios que pueden ser cuantificados/medidos.
Corrección de los efectos de disturbios mediante control en lazo abierto
Controlador de respuesta rápida
Complementa al control por realimentación.
HERRAMIENTAS DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
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MATLAB ?
Modelado
Síntesis
Análisis (estabilidad y desempeño)
(Pla
nt)
Perturbaciones
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ENTRADAS A LA PLANTA
• Variable manipulada: son variables que se pueden utilizar para actuar sobre el proceso o sistema.
• Perturbaciones: son variables sobre las cuales no se puede actuar, y que influyen en el proceso o sistema. Su efecto generalmente es imprevisible.
SALIDAS DE LA PLANTA
• Variable controlada (salida del proceso): son usadas para tener una medida de la conducción del proceso y, según su desviación respecto de un valor deseado, determinar el valor de la variable manipulada.
VARIABLES DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
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OTRAS VARIABLES EXTERNAS AL SISTEMA
• Variable medida: resultado de los sensores destinados a representar el valor de la respuesta del proceso o sistema.
• Referencia (setpoint): variable deseada para la variable controlada. Setpoint corresponde a referencia constante.
• Error de control: referencia - variable medida.
VARIABLES INTERNAS Y PARÁMETROS DEL SISTEMA
• Variables de estado: variables internas del proceso que permiten caracterizar totalmente la condición en que se encuentra un proceso. No siempre son medibles
• Parámetros: caracterizan las relaciones entre las variables de estado. Generalmente dependen del diseño del proceso
VARIABLES DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
HERRAMIENTAS DEL CONTROL
Modelado
Representaciones entrada-salida para subsistemas + reglas de interconexión
Teoría de identificación de sistemas y algoritmos
Teoría y algoritmos para modelos de orden reducido y reducción de modelos
Análisis Estabilidad de sistemas de realimentación,
inclusión de margenes de robustez
Desempeño de sistemas entrada/salida (atenuación de disturbios, robustez)
Síntesis Herramientas constructivas para diseño de
sistemas de control
Herramientas constructivas para procesamiento de señales y estimación (filtro de Kalman)
Toolboxes del MATLAB
SIMULINK
Control de sistemas
Adquisición de datos
Lógica Fuzzy
Control Robusto
Procesamiento de señales
Control LMI
Estadística
Identificación de sistemas
Biología de sistemas (SBLM)
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HISTORIA DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
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Griegos y árabes
llevando un control
exacto del tiempo (300AC-
1200DC)
Revolución industrial
en Europa (motor a
vapor Watt, siglo
XVIII)
Inicio de la comunicación en
masa (Amplificador por
realimentación negativa –
Black), 1910-1945
Inicio de la era espacio-
computadora (filtro de
Kalman, 1957)
CONTROL
CLÁSICO
CONTROL MODERNO
ecuaciones diferenciales (dominio del tiempo)
teoría de estabilidad (Routh, Lyapunov, función de transferencia)
teoría de sistemas (entrada-salida)
análisis en el dominio de la frecuencia (Nyquist, gráficos Bode)
PID, servomecanismo, cartas de Nychols
análisis estocástico (filtro de Wiener)
análisis en el dominio del tiempo para sistemas lineales (algebra lineal y
matrices, sistema interno espacio de estados)
control óptimo (LQR) y estimación (LQG), control no lineal, control digital
tecnología: sensores, actuadores, computadoras en diseño e implementación
SOLO sistemas LTI , SISO
sistemas no lineales, MIMO
http://www.theorem.net/theorem/lewis1.html
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HISTORIA DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN
CONTROL PREDICTIVO
CONTROL ADAPTIVO
CONTROL DISTRIBUIDO
CONTROL DIFUSO (FUZZY CONTROL)
CONTROL ÓPTIMO
CONTROL MULTIVARIABLE
CONTROL NEURONAL (NEURAL CONTROL)
CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)
CONTROL ROBUSTO
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ACRÓNIMOS
• SISO: single-input single-output
• MIMO: multiple-input multiple-output
• LTI: linear time invariant
• BIBO: bounded-input bounded-output
TRABAJO EN CLASE 1:
46
Definir en que consiste:
Estabilidad
Desempeño
Robustez
en la figura dada
TRABAJO EN CLASE 2:
47
Presentar el diagrama de bloques correspondiente al control de nivel del tanque del inodoro.
Destacar los componentes principales del sistema de control
TRABAJO EN CLASE 3:
48
Presentar el diagrama de bloques correspondiente al sistema de control de un caldero.
Destacar los componentes principales del sistema de control
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