1 Sistemas de control Generalidades Instroducción ... · PDF filefacultad de ciencas exactas y tecnologiafacultad de ciencas exactas y tecnologia departamento de ingenierÍa mecÁnica

FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIAFACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

CÁTEDRA: “SISTEMAS DE CONTROL (PLAN 2004)”CÁTEDRA: SISTEMAS DE CONTROL (PLAN 2004)DOCENTE: Prof. Ing. Mec. Marcos A. Golato

GENERALIDADES

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Cátedra: “Sistemas de Control” – TEO-01-2015

FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA

Cátedra: “Sistemas de Control”

FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Prof. Responsable: Ing. Jorge R. Pisa

Cátedra: “Sistemas de Control”o . espo sab e: g. Jo ge . sa

Prof. Adjunto: Ing. Marcos A. GolatoAuxiliar 1ra: Ing. David Aguirre Graziog gAuxiliar 2da: Sr. César ZalazárCódigo de la materia (Plan 2004): M20Área: Energética IIClases teóricas: Jueves de 8:00 a 11:00 hs. – Aula G.Clases prácticas: Lunes de 16:00 a 18:00 hs. – Aula H.Consultas: Martes y Jueves de 16:00 a 19:00 hs. – Cátedra.Oficina: Box 3-2-16E-mail: [email protected]

2Web: http://www1.herrera.unt.edu.ar/faceyt/sistemasdecontrol/



Información práctica sobre la asignaturaLa asignatura es una introducción al conocimiento del control automático. Sepresentan principios, conceptos, técnicas fundamentales para el análisis y diseño desistemas de controlsistemas de control.Los sistemas que estudiaremos son lineales e invariantes en el tiempo. Nosrestringiremos a sistemas de Entrada Simple/Salida Simple (SISO).g p p ( )Objetivos de la asignatura:1- Aprender los conceptos básicos de los “sistemas de control”.2- Conocer las “acciones de control” clásicas.3- Analizar y diseñar sistemas de control para plantas SISO.4- Aprender técnicas de control avanzado.5- Estudiar técnicas usuales de control de procesos.

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Conocimientos previos necesarios:- Matemática Aplicada- Termodinámica- Electrotecnia General y Laboratorio- Mecánica de los Fluidos - Mediciones térmicas

Aprobación de la asignatura:- Asistencia al 80 % de las clases prácticas.

T b d 2 i l (1 ió ) l TP t d- Tener aprobado 2 parciales (1 recuperación) y los TP presentados. - Tener aprobado un examen final teórico-práctico (oral).

Inicio clases:Lunes 16 de Marzo de 2015- Lunes 16 de Marzo de 2015.

Última clase:- Jueves 25 de Junio de 2015.

Exámenes:Exámenes:- 1er Parcial: Lunes 11 de Mayo de 2015.- 2do Parcial: Lunes 29 de Junio de 2014.

Recuperación:

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Recuperación:- Integral: Lunes 03 de Agosto de 2015.



Bibli fíBibliografía:- Apuntes de Cátedra.- Ingeniería de Control Moderna. Katsuhiko Ogata. 3ra Ed. 1998.Ingeniería de Control Moderna. Katsuhiko Ogata. 3 Ed. 1998.- Ingeniería del Control Automático. Francis H. Raven. 1ra Ed. 1972.- Sistemas Automáticos de Control. Benjamín C. Kuo. 2da Ed. 1979.

C l A á i d P S i h C i i 1 Ed 1991- Control Automático de Procesos. Smith y Corripio. 1ra Ed. 1991.- Instrumentación Industrial. Antonio Creus Solé. 6ta Ed. 1997.- Controles Automáticos. Howard Harrison, John Bollinger. 1974.Controles Automáticos. Howard Harrison, John Bollinger. 1974.- Sistemas de Control de Procesos. F. G. SHINSKEY. 3ra Ed. 1997.- Instrumentação aplicada ao controle de caldeiras. Egídio A. Bega. 3ra Ed. 2003.

III S i i d l í i d i l C d l í C 1 Ed 1987- III Seminario de tecnología industrial. Centro de tecnología Copersucar. 1ra Ed. 1987. Material en Internet:- www1.herrera.unt.edu.ar/faceyt/sistemasdecontrolwww1.herrera.unt.edu.ar/faceyt/sistemasdecontrol- http://dea.unsj.edu.ar/control1/ - www.automatas.org

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- www.aadeca.org- http://csd.newcastle.edu.au/controlCátedra: “Sistemas de Control” – TEO-01-2015

FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA

Programa de dictado de la asignatura (Clases teóricas)


Programa de dictado de la asignatura (Clases teóricas)CLASE FECHA TEMA

1 Lunes 16/03/15Sistemas de Control_Generalidades_15

1 Lunes 16/03/15Sistemas de Control_Introducción_Definiciones_21

2 Jueves 19/03/15 Introducción al Modelado y Análisis de Sistemas_Parte 1_23

3 Lunes 23/03/15 Introducción al Modelado y Análisis de Sistemas_Parte 2_42

C t í ti d P 204 Jueves 26/03/15 Características de un Proceso_20Análisis de Respuesta Transitoria (Parte 1)_25

5 Jueves 09/04/15 Análisis de Respuesta Transitoria_Parte 2_42

6 Jueves 16/04/15 Acciones de Control_33

7 Jueves 23/04/15 Elementos de Controles Automáticos Industriales_63

8 Jueves 30/04/15Sintonización de controladores industriales_9Válvulas de Control_36

9 Jueves 07/05/15 Sistemas de Control Avanzados 369 Jueves 07/05/15 Sistemas de Control Avanzados_36

10 Jueves 14/05/15 Práctica 1 de Laboratorio – Lazos de control de temperatura, de presión y de caudal.

11 Jueves 21/05/15 Aplicaciones de sistemas de control (Parte 1): Control de hornos y calderas de vapor _31

12 J 28/05/15 Aplicaciones de sistemas de control (Parte 2): Control de nivel de domo y del agua de alimentación a caldera. 12 Jueves 28/05/15 p ( ) y gTemperatura del aire de combustión y vapor sobrecalentado. Presión de hogar_28

13 Jueves 04 /06/15 Aplicaciones de sistemas de control (Parte 3): Control de evaporación, cocimientos y destilación.

14 Jueves 11/06/15 Práctica 2 de Laboratorio – Mediciones de nivel en recipientes abiertos y densidad de fluidos.

615 Jueves 18/06/15 Práctica 3 de Laboratorio – Mediciones de nivel en recipientes cerrados.

16 Jueves 25/06/15 Práctica 4 de laboratorio – Sintonización de controladores



Clases prácticasTRABAJO

PRÁCTICO FECHA TEMA

1 L 30/03/15 M d l F ió T f i1 Lunes 30/03/15 Modelos - Función Transferencia

2 Lunes 20/04/15 Respuestas de sistemas de primer orden - Análisis de estabilidad

3 Lunes 27/04/15 Respuesta de sistemas de segundo orden - Acciones de control

4 Lunes 13/04/15 Elementos básicos de un sistema de control

5 Lunes 27/04/15 Válvulas de control de flujo

6 Lunes 11/05/15 Sistemas de control avanzados

7 Lunes 01/06/15 Control en calderas de vapor

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Historia del Control AutomáticoHistoria del Control Automático

Relojes deRelojes de agua de los Griegos y los ÁÁrabes(300 AC a 1200 DC)1200 DC).

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L R l ió I d t i lLa Revolución Industrial

Es un periodo histórico comprendido entre la segunda mitad del siglo XVIII y principios del XIX, en el queInglaterra en primer lugar, y el resto de Europa continental después, sufren el mayor conjunto detransformaciones socioeconómicas, tecnológicas y culturales de la historia de la humanidad.La economía basada en el trabajo manual fue reemplazada por otra dominada por la industria y la manufacturaLa economía basada en el trabajo manual fue reemplazada por otra dominada por la industria y la manufactura.La Revolución comenzó con la mecanización de las industrias textiles y el desarrollo de los procesos del hierro. Laexpansión del comercio fue favorecida por la mejora de las rutas de transportes y posteriormente por elnacimiento del ferrocarril.Las innovaciones tecnológicas más importantes fueron la máquina de vapor y la denominada “Spinning Jenny”,una potente máquina relacionada con la industria textil. Estas nuevas máquinas favorecieron enormes incrementosen la capacidad de producción.La producción y desarrollo de nuevos modelos de maquinaria en las dos primeras décadas del siglo XIX facilitó laLa producción y desarrollo de nuevos modelos de maquinaria en las dos primeras décadas del siglo XIX facilitó lamanufactura en otras industrias e incrementó también su producción.Así es que en la revolución industrial, se aumenta la cantidad de productos y se disminuye el tiempo de fabricaciónde los mismos, dando paso a la producción en serie, ya que se simplifican tareas complejas en varias operacionesi l d li l i b i id d d d b lifi d d t d

9simples que pueda realizar cualquier obrero sin necesidad de que sea mano de obra calificada, y de este modobajar costos en producción y elevar la cantidad de unidades producidas bajo el mismo costo fijo.



Início del control automáticoInício del control automático

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FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIAÍ ÁDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

ÁCÁTEDRA: “SISTEMAS DE CONTROL (PLAN 2004)”DOCENTE: Prof. Ing. Mec. Marcos A. Golato

SISTEMAS DE CONTROLSISTEMAS DE CONTROLINTRODUCCIÓN - DEFINICIONES

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FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIAÍ ÁDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

D fi i i l 1• Sistema: conjunto ordenado de componentes físicos,

id l i d d t l f

Definiciones generales 1

unidos o relacionados de tal manera que forman unaentidad o un todo y/o actúan como una unidad completa.

C t l l l b t l l t l t l• Control: la palabra control usualmente se la toma en elsentido de “Regular”, “Dirigir” o “Mandar”.

Si d C l d i d• Sistema de Control: ordenamiento de componentesfísicos unidos o relacionados de tal manera que regulan,dirigen o mandan al mismo sistema o a otros.

• Entrada de un Sistema de Control: es el estímulo, laexcitación o el mando aplicado a un sistema de control.Generalmente desde una fuente externa de energíaGeneralmente desde una fuente externa de energía.

• Salida de un Sistema de Control: es la respuesta realque se obtiene de un sistema de control

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que se obtiene de un sistema de control.



Definiciones generales 2• Variable controlada: cantidad o condición que se mide y

controla. Normalmente es la salida del sistema de control, puedeser un flujo, una temperatura, una presión, una velocidad, unaj , p , p , ,viscosidad, una tensión o corriente, un desplazamiento, etc.

• Variable manipulada: cantidad o condición que el controlador• Variable manipulada: cantidad o condición que el controladormodifica para afectar el valor de la variable controlada. Puedeser de igual naturaleza que la variable controlada (flujo,temperatura etc )

• Planta: es una parte de un equipo o conjunto de partes de unaá i U Pl t l i bj t fí i t l

temperatura, etc.).

máquina. Una Planta es cualquier objeto físico a controlar(dispositivo mecánico, horno de calefacción, reactor químico,motor eléctrico, etc.).

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Definiciones generales 3• Proceso: operación o desarrollo naturalProceso: operación o desarrollo natural

progresivamente continuo, marcado poruna serie de cambios graduales que sesuceden uno al otro en una formasuceden uno al otro en una formarelativamente fija y que conducen a unresultado o propósito determinado; o una

ió ifi i l l ioperación artificial o voluntariaprogresiva que consiste en una serie deacciones o movimientos controladossistemáticamente dirigidos hacia unresultado o producto determinado.

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Definiciones generales 4• Perturbación: es una señal que tiende a afectar

negativamente el valor de la salida de un sistema. Si laPerturbación se genera dentro del sistema se denomina“i ” E b ió “ ”“interna”. En tanto que una perturbación “externa”, seproduce fuera del sistema y contribuye una entrada.

C l li d ió i d• Control realimentado: operación que en presencia deperturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salidade un sistema y su entrada de referencia y lo continuah i d b dif ihaciendo en base a esa diferencia.

• Respuesta transitoria: comportamiento del sistema• Respuesta transitoria: comportamiento del sistemainmediatamente después de una cambio repentino de su señalde entrada.

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Ejemplo: Intercambiador de calor

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Ejemplo: Intercambiador de calor – control propuesto

Variable controlada: Ts [ºC]Variable manipulada: Gv [t/h]

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CONCEPTO

• Controlar un proceso: significamedir el valor de la variablecontrolada del sistema y aplicar lacontrolada del sistema y aplicar lavariable manipulada al sistema paracorregir o limitar una desviación delcorregir o limitar una desviación delvalor medido a partir de un valordeseado.

ACLARACIÓN

• Formas de la Entrada/Salida: Las entradas pueden ser variables físicas o cantidadesabstractas como valores de referencias, ajustes o valores deseados para la salida delsistema de control

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sistema de control.



Conocido como “sensor” es el elemento que se encarga de medir oElemento

Componentes Básicos de un Sistema de Control

Conocido como sensor , es el elemento que se encarga de medir osensar la variable a controlar.

Elemento primario de medición

Conocido como “transmisor”, es el encargado de unificar, convertiry amplificar señales de medición para que puedan ser interpretadaspor el controlador

Elemento secundario

por el controlador.

Es el cerebro del sistema de control, es el elemento que tomadecisiones en el sistema en base a la medición de la variable

Controladordecisiones en el sistema en base a la medición de la variablecontrolada.

Es el elemento que actúa directamente sobre la variable que seElemento q qmanipula. Puede ser un motor eléctrico, una bomba, transportadoresmecánicos, servoactuadores neumáticos, hidráulicos o eléctricos. Porlo general se trata de una válvula de control.

final de control

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lo general se trata de una válvula de control.



Operaciones Básicas de un Sistema de Control

Medición de la variable controlada, generalmente serealiza por medio de la combinación delSensor/Transmisor

Medición

Sensor/Transmisor.

En base a la medición el controlador decide que hacerDecisión En base a la medición, el controlador decide que hacerpara mantener la variable controlada en el valor deseado.

Decisión

Como resultado de la decisión del controlador, seAcción Como resultado de la decisión del controlador, seefectúa una acción correctiva en el sistema a través delelemento final de control.

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TERMINOLOGÍA

• Señal de entrada.• Referencia.

Entrada• Realimentado.

• Orden.• Valor deseado (VD).

• Retroalimentado.• Servosistema.

L• Set Point (SP).• Consigna.

• Bucle cerrado.• Rizo cerrado.

Lazocerrado

g

• Señal de salida.R t

Salida • Malla cerrada.

• Respuesta.• Variable controlada.

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Sistemas de Control en Lazo Cerrado

También denominados “Sistemas de Control Realimentados”. Enestos sistemas se alimenta al controlador la señal de error actuante(diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación) a(diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación), afin de reducir el error y llevar la salida del sistema al valor deseado.

Un sistema de controlrealimentado compara lo quep qestamos obteniendo (salida), conlo que necesitamos (entrada) yusa cualquier diferencia a fin deusa cualquier diferencia a fin deponer en correspondencia laentrada con la salida.Diagrama básico de un sistema de

t l l d

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control en lazo cerrado



Sistemas de Control en Lazo Abierto

Son sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control.En este caso no se mide la salida, ni se realimenta para compararla

l dcon la entrada.

En estos sistemas, laseñal de salida no se

li trealimenta paracompararla con la señalde entrada.Diagrama básico de un sistema de

l l bicontrol en lazo abierto

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FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Lazo Cerrado vs. Lazo Abierto

• En un sistema de control de lazod l t l ti t

• En un sistema de control de lazo abierto,l tit d d d d l d d

Lazo Cerrado vs. Lazo Abierto

cerrado, la respuesta es relativamenteinsensible a perturbaciones externas einternas.

la exactitud depende del grado decalibración.• En presencia de perturbaciones, el

• Es posible utilizar componentesrelativamente inexactos y lograr exactituden una determinada planta.

p psistema no cumple su función asignada.• Se utiliza control de lazo abierto si larelación entre la entrada y la salida esp

• En un sistema en lazo cerrado, laestabilidad constituye siempre unproblema de importancia debido a la

relación entre la entrada y la salida esconocida y si no se presentanperturbaciones externas ni internas.• Cualquier sistema que funcione sobreproblema de importancia, debido a la

tendencia de sobrecorregir errores.• Los sistemas en lazo cerrado tienen

t j i t t b i

• Cualquier sistema que funcione sobreuna base de tiempos, es de lazo abierto(centrífuga, calentadores s/termostatos,

áf l t )ventajas si se presentan perturbacionesprevisibles y/o variaciones imprevisiblesde los componentes del sistema.

semáforos, lavarropas, etc.).• La estabilidad es más fácil lograr en unsistema de lazo abierto, ya que no

29constituye un porblema importante.



Estos sistemas mantienen constante la variable controlada a pesar deSi t

Clasificación de los Sistemas de Control Realimentados

Estos sistemas mantienen constante la variable controlada a pesar delas perturbaciones que puedan tener. En estos sistemas, la entradacambia con muy poca frecuencia (ejemplo: control de procesos).

Sistemasreguladores

Estos sistemas mantienen constante

Sistemasseguidores

la variable controlada en correspondencia muy p ypróxima con la variable de referencia la cual esreferencia, la cual es cambiada frecuentemente ejemplo: sistemas de

30ejemplo: sistemas de navegación).



Contribuye al conocimiento de los balances de masa y energíaC d l

Lazos de control típicos encontrados en el control de procesos

Contribuye al conocimiento de los balances de masa y energía.Generalmente es de magnitud variable y ruidosa.

Caudal

Por lo general representa la variable de referencia de la mayoría delos procesos.

Presión

Es una variable indicativa de la acumulación de materia en unsistema.

Nivel

Contribuye al conocimiento de balances de energía. Representa lavariable de control en procesos de calentamientos y enfriamientos.

Temperatura

Contribuye al conocimiento de balances de materia. Representa unavariable indicativa de la proporción de componentes en sistemas demezclas.

Composición

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Un sistema de control es estable cuando la respuesta a un cambio enE t bilid d

Característica de un sistema de control

Un sistema de control es estable cuando la respuesta a un cambio enla entrada o ante la presencia de una perturbación, el sistema alcanzay mantiene un valor útil durante un periodo razonable.

Estabilidad

Un sistema de control es exacto cuando es capaz de reducir cualquiererror a un valor aceptable.

Exactitud

Un sistema de control es rápido en la respuesta cuando completa suRapidez p p prespuesta a cierta señal de entrada en un tiempo aceptable.

p

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Ejemplos de sistemas de controlDiagrama de bloques de un sistema de control de temperatura en una casacontrol de temperatura en una casa.

Diagrama de bloques del sistema de control de velocidad de Watt.

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Sistema de control de lazo cerrado de un horno

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Sistema de control característico en lazo cerrado por realimentación de la salidarealimentación de la salida

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Gracias por su atención!!

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