INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

Ing. Alejandra Escobar

Instrumentación y Control. Unidad I

Sistemas de Control �  Los sistemas de control tienen una larga

historia que comenzó con el deseo primordial de los seres humanos de dominar los materiales y las fuerzas de la naturaleza en su provecho.

�  Los primeros ejemplos de dispositivos de control incluyen los sistemas de regulación de relojes y los mecanismos para mantener los molinos de viento orientados en la dirección del viento.

�  Las plantas industriales modernas poseen sofisticados sistemas de control que son cruciales para su correcta operación.


¿Dónde se usa Control? �  Procesos industriales. �  Generación de energía. �  Transporte. �  Transmisión de energía. �  Autos. �  Mecatrónica. �  Trenes.

�  Instrumentación. �  Barcos. �  Artefactos electrónicos. �  Aviones. �  Economía. �  Naves espaciales. �  Medicina.


Un mejor control es la clave tecnológica para lograr productos de mayor calidad, minimización de desperdicios, protección del medio ambiente, mayor rendimiento de la capacidad instalada y

mayores márgenes de seguridad.

Definiciones Básicas


Sistema � Un sistema es una combinación de

componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado.

� Un sistema no necesariamente es físico. �  Se aplica a fenómenos abstractos y

dinámicos. (sistemas económicos) �  Implicación físicos, químicos, biológicos,

económicos y similares.


Proceso � Operación o un desarrollo de natural

progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en forma relativamente fija y que conduce a un resultado o propósito determinado.

� Operación artificial o voluntaria progresiva que consiste en una serie de acciones o movimientos controlados sistemáticamente dirigidos hacia un propósito determinado.


Plantas � Parte de un equipo, o partes de máquinas

que funcionan juntas, las cuales ejecutan una operación particular para el logro de un fin.


Variables � Variable Controlada: cantidad o condición

que se mide o controla. � Variable Manipulada: cantidad o

condición que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada

Perturbación �  Señal que tiende a afectar adversamente el

valor deseado. Puede generarse dentro del sistemas o ser externa.


Estabilidad � Capacidad de un instrumento para

mantener su comportamiento durante su vida útil y de almacenamiento de datos especificados.


Controlar � Medir el valor de la variable controlada y

aplicar la variable manipulada del sistema para corregir o limitar una desviación del valor medido a partir del deseado

Acción de Control � Verificación para garantizar que ocurra lo

que se desea y obtener lo requerido.

Sistemas de Control � Conjunto de componentes que pueden

regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado par reducir las probabilidades de fallos y obtener buenos resultados.


Clasificación de los Sistemas de Control

�  Sistema de control de lazo abierto: es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida.

�  Sistema de control de lazo cerrado: es

aquel en el cual la acción de control depende, de alguna manera de la salida.


Control de Realimentación � Operación que, en presencia de

perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida y la entrada de referencia de un sistema.


Sistema de Control de Realimentación � Aquel que tiende a mantener una relación

preestablecida entre la salida y la entrada de referencia, comparando ambas y utilizando la diferencia como parámetro de control.

Sistema de regulación automática � Es un sistema de control realimentado en

el que la entrada de referencia o la salida deseada son, o bien constantes, o varían lentamente en el tiempo, y donde la tarea fundamental consiste en mantener la salida en el valor deseado a pesar de las perturbaciones.


Control en Lazo Abierto �  Los sistemas de control de lazo abierto son

sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control.

� No existe acción de realimentación, para comparación de la señal de salida con la entrada de referencia, ni por tanto es necesario la medida de la variable de salida.


Control en Lazo Abierto �  Para cada entrada de referencia corresponde

una condición de operación fijada. �  La exactitud del sistema depende de la

calibración. �  En presencia de perturbaciones no cumple

su función asignada. �  Solo se debe usar cuando se conoce la

relación entre la entrada y salida del sistema, y si no hay perturbaciones ni internas ni externas.

�  Ejemplos: lavadora, control de tráfico por tiempos, etc.


Control en Lazo Cerrado �  Es aquel en el que la señal de salida tiene

efecto directo sobre la acción de control �  El término “lazo cerrado” implica el uso de

acción de realimentación para reducir el error del sistema


Lazo Abierto vs Lazo Cerrado �  En lazo cerrado, el uso de realimentación hace al

sistema relativamente insensible a perturbaciones externas, y a variaciones internas de parámetros del sistema.

�  En lazo abierto la estabilidad es más fácil de lograr. �  En lazo cerrado la estabilidad constituye un

problema importante: se producen oscilaciones. �  Lazo abierto: sistemas con entradas conocidas

previamente y sin perturbaciones. �  Lazo cerrado: si se presentan perturbaciones no

previstas y variaciones impredecibles de componentes del sistema.


Diagrama de Bloques

� Un diagrama de bloques es un representación gráfica y abreviada de la relación causa y efecto entre la entrada y la salida de un sistema físico. Proporciona un método útil y conveniente para caracterizar las relaciones funcionales entre los diversos componentes de un sistema de control.


Componentes de un Diagrama de Bloques } Bloque: El interior del rectángulo que

representa el bloque, usualmente contiene la descripción o el nombre del elemento, o el símbolo de la operación matemática que se va a efectuar sobre la entrada para producir la salida.

} Flechas: representan la dirección de la información o el flujo de la señal.


Componentes de un Diagrama de Bloques } Punto de suma: representa las operaciones

de adición y sustracción, con el signo apropiado mas o menos, asociado con las flechas que entran al circulo. La salida es la suma algebraica de las entradas.

} Punto de toma o punto de reparto: Es aquel que se usa para hacer que la misma señal o variable sea una entrada a más de un bloque. Este permite que la señal prosiga inalterada por diferentes trayectorias a varios destinos.


Componentes de un Diagrama de Bloques


Ejemplo. Lazo Abierto

Se observa la característica o variable específica del sistema, la salida que se desea controlar, se conoce como variable controlada, en tanto que la característica o variable que se determina por medio de la acción de control se conoce como entrada de control.


Ejemplo. Lazo Cerrado

En todos los casos existe un instrumento de medición (sensor) o elemento de realimentación que mide la variable de salida o del sistema que interesa y transmite la medida a un controlador. Este compara la señal con el valor deseado, y envía las instrucciones pertinentes al mecanismo actuador, que a su vez actúa sobre el sistema u objeto de control.


Reducción de Diagramas de Bloque � Es la simplificación (obtención) de la

función de trasferencia que describe todo el proceso en estudio.

� Función de Trasferencia: esta se define

como una relación entrada – salida y representa la relación que describe la dinámica del sistema bajo consideración.


Forma Canónica de un sistema se control a Lazo Cerrado

R(s) = entrada C(s) = salida G(s) = Función de transferencia directa H(s) = Función de transferencia de realimentación G(s).H(s) = Función de transferencia de lazo abierto C(s)/R(s) = Función de transferencia de lazo cerrado E(s)/R(s) = relación de error


Teoremas para la Transformación de Diagramas de Bloques


Teoremas para la Transformación de Diagramas de Bloques


Pasos para la Reducción de Diagramas de Bloques Paso1: Combinar todos los bloques en cascada

usando la transformación 1. Paso2: Combinar todos los bloques en paralelo. Paso3: Eliminar todos los lazos menores de

realimentación usando la transformación 6. Paso4: Desplazar los puntos de suma hacia la

derecha o a la izquierda, y/o los puntos de toma hacia la derecha o a la izquierda del lazo principal usando la transformaciones indicadas.

Paso5: Repetir los pasos del 1 al 5 para cada una de las entradas según sea necesario.


Ejemplo…


Reducir el siguiente diagrama de bloques a una forma canónica

Diagrama de Flujo � Diagrama que representa un conjunto de

ecuaciones lineales algebraicas simultaneas. Consiste en una red en la que los nodos están conectados a través de distintas ramas, cada nodo representa una variable del sistema y cada rama la cual conecta a dos nodos representa una señal multiplicador.


Del Diagrama de Bloques al Diagrama de Flujo


Formula de Masson Método para encontrar la relación entre dos variables (función de transferencia) cuando disponemos del diagrama de flujo de señal. La ganancia esta dada por: : trayectorias directas : lazos que no tocan la trayectoria directa : ganancia de todos los lazos simples : producto de dos lazos que no se tocan.


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