Introduccion Sistemas De Control Moderno. El Lazo Cerrado. La Retoalimentacion.pdf

Universidad Politécnica Salesiana Ingeniería Mecánica Teoría de Control 2019

La práctica de la ingeniería de control.  La INGENIERÍA DE CONTROL trata del análisis y diseño

de lazos de control.  La TEORÍA DE CONTROL MODERNA tiene que ver con

sistemas que poseen características de auto organización, de adaptación y predicción.  El

Control es un proceso industrial por medios automáticos en vez de manuales. Se suele conocer como automatización.

Hasta ahora la INGENIERIA DE CONTROL… …ha desempeñado un papel vital en el avance de la ingeniería y la ciencia. Con los avances en la teoría y la práctica de la Ingeniería de Control se proporcionan los medios para conseguir un comportamiento óptimo de los sistemas dinámicos, mejorar la productividad, simplificar el trabajo de muchas operaciones manuales repetitivas y rutinarias.

Campos de aplicación… La INGENIERÍA DE CONTROL se basa en los fundamentos de la teoría de la realimentación y el análisis de sistemas lineales, e integra en algún momento los conceptos de la teoría de redes de comunicación y computación. Por tanto la ingeniería de control no está limitada a ninguna disciplina de la ingeniería, sino que es igualmente aplicable a la ingeniería aeronáutica, química, mecánica, del medio ambiente, civil, eléctrica, electrónica…lo que se puede modelar y medir se puede controlar…

Robótica. La Teoría del Control está también en el centro de gravedad en este campo. El desarrollo de la robótica depende de manera fundamental de la eficiencia y robustez de los algoritmos computacionales para el control de los robots. No resulta difícil imaginar la complejidad del proceso de control que hace que un robot antropomórfico camine y que lo haga de manera estable o sea capaz de coger con sus "manos" un objeto.

Las tareas de investigación en la robótica se concentran en inteligencia artificial, integración sensorial, visión por computador y programación, Diseño Asistido por Computador (CAD), y Fabricación Asistida por Computador (CAM). .

Muchas actividades de investigación son comunes a la robótica y a los sistemas de control y están orientados a reducir los costes de implementación y a ampliar el dominio de aplicación. Estos incluyen métodos de comunicación mejorados y lenguajes de programación avanzados.

Control de Fluidos. Se trata de un problema con mucha importancia en aeronáutica por ejemplo, puesto que la dinámica estructural del avión (en sus alas, por ejemplo) está acoplada con el flujo del aire en su entorno. En la industria es muy común controlar los fluidos y sus características.

El termino MECATRONICA se acuño en Japón en los años de 1970. ¿Que es la mecatrónica? Es la integración sinérgica (cooperación) de sistemas mecánicos, eléctricos, informáticos y de control, que ha ido evolucionando e integrándose cada vez mejor durante estos últimos años. Dando así un lugar a una nueva “familia” de estudios superiores y productos “inteligentes”.

El objetivo de los sistemas de control es proporcionar una gran flexibilidad y un elevado nivel de autonomía. • Un robot puede parecer bastante autónomo…pero no es flexible. • Un sistema de control programado puede ser flexible pero no es autónomo.

DATOS SUELTOS.  En EEUU hay aproximadamente 200 000 ingenieros de control

y número similar en Japón. !Sólo en EEUU, la industria de control realiza operaciones por más de 50 billones dólares al año!

 El término automatización se popularizó en primer lugar en la

industria del automóvil, en la fabricación de elementos de la carrocería se acoplaron mecanismos de alimentación automática con prensas de estampado de alta velocidad, para incrementar la productividad.

La teoría, práctica y aplicación del control automático es una disciplina de ingeniería amplia, interesante y muy útil (ver video BIG DOG, Boston Dynamics).Ejercicios y problemas del final del capitulo DORF)

PIRAMIDE DE AUTOMATIZACION…  EMPRESA, ADMINISTRACION: Nivel mas alto y donde se fijan las estrategias y metas a cumplir. ERP sistemas de planificación de recursos empresariales (Enterprise Resource Planning)  PLANIFICACIÓN, INFORMACION, MANUFACTURA, CALIDAD: Se realiza la planificación acorde con las estrategias fijadas. MES (Sistema de Ejecución de Manufactura)  SUPERVISIÓN Y VISUALIZACION: Se realiza el monitoreo de las diferentes unidades de producción. Se verifica la sincronización de unidades de producción. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).  CONTROL LOCAL: Se compone de todos los elementos destinados al control de los procesos. Desarrollo de ingeniería y software de control

 PROCESO: Abarca tanto el fenómeno físico como los instrumentos terminales en contacto con los mismos. Instalación y suministro de equipo.

ACTIVIDAD GRUPAL: “Abrir”, ampliar, la descripción de cada nivel de la pirámide con mucho mas detalle. Elementos, Normas, Protocolos de Comunicación, etc.

La ingeniería de control deduce (o diseña) las leyes matemáticas que gobiernan los sistemas físicos conforme a una serie de especificaciones.

Teoría de Control Los sistemas de control pueden ser de lazo abierto o de lazo cerrado, según si la variable controlada no tiene un efecto retroactivo sobre el sistema que la está controlando, o si por lo contrario sí lo tiene. Un sistema de control en lazo abierto utiliza un dispositivo de actuación para controlar el proceso directamente sin emplear realimentación. Un sistema de control en lazo cerrado usa una medida de la salida y la realimentación de esta señal para compararla con la salida deseada (referencia u orden).

ENTRADA

Dispositivo de actuación

Proceso

SALIDA

Respuesta de la salida deseada

Comparación

Controlador

Medida

Proceso (planta)

SALIDA

Respuesta de salida deseada

Controlador

Proceso (planta)

Medida

Variables de Salida

Lazo Abierto: Control de una lavadora

Lazo Cerrado: Control de temperatura

Sistemas de Control en Lazo Abierto y en lazo Cerrado Control en lazo abierto

Control en lazo cerrado

Rechaza perturbaciones

NO rechaza perturbaciones

Puede hacerse inestable

Puede controlarse la estabilidad

Suele ser caro

Suele ser más económico (ahorro de energía y personal)

Es adecuado cuando no se conoce bien la planta

Requiere un conocimiento exacto de la planta (modelo).

Requiere mayor numero de componentes

Requiere un menor numero de componentes

Componentes Básicos de un Sistema de Control En el estudio de la INGENIERÍA DE CONTROL, se emplean una serie de conceptos que es necesario definir antes de analizar los sistemas de control en más detalle.  Sistema: Un sistema es una combinación de componentes

que actúan conjuntamente para desempeñar una función específica que no fuese posible con ninguna de las partes individualmente. La palabra sistema debe interpretarse en un sentido amplio que comprenda sistemas físicos, biológicos, económicos y similares.

 Planta: Es el objeto de control, tal vez es un conjunto de elementos de una maquina que funcionan juntos. Se llamara planta a cualquier objeto físico que se va a controlar. Es común hallar el modelo de la planta a controlar. Ejemplo: Un motor DC, un tanque y su

llenado, etc

 Variable controlada (Señal de Salida): La variable controlada o de salida es la cantidad o condición que se mide y controla. Es la cantidad que debe ser mantenida en un valor pre establecido.

 Variable de entrada (Señal de entrada o referencia):

La variable de entrada es la cantidad o condición que se establece como consigna a ser alcanzada. Se denomina SET POINT. Pueden haber también entradas de prueba que se usan para verificar y modelar el comportamiento de una planta.

 Controlador:. Toma la señal de error o comparación entre la entrada (set point) y la salida obtenida

(realimentación), ejecuta su algoritmo de control y da a la planta una nueva señal para obtener una salida los mas cercana al set point.

 Perturbaciones (disturbios): Señales o magnitudes físicas desconocidas que tienden a afectar adversamente la salida del sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema es una entrada. Si la señal de perturbación es de tipo externa, esta señal no es accesible al diseñador aunque este presente en el sistema. El sistema debería soportar las perturbaciones, esto es una medida de la estabilidad y robustez del sistema.

La retroalimentación (negativa). Considere un sistema de control en retroalimentación muy sencillo tal y cual como se muestra en la figura:

donde “r” es la señal de entrada, “y” la señal de salida, “e” una señal de error, y “b” la señal de retroalimentación. Los parámetros “G” y “H” pueden ser considerados como ganancias constantes. Se asumirá por ahora que la relación existente entre la señal de entrada y salida esta referida como: (1. eG=y; 2.yH=b; 3.r-b=e; 1,2 remplazo en 3.)

Es la más utilizada en sistemas de control. Se dice que un sistema está realimentado negativamente cuando tiende a estabilizarse, es decir cuando nos vamos acercando a la orden de consigna (set point). Ejemplos  Un sistema de calefacción.  Un niño aprendiendo a manejar bicicleta.

 Proceso de enseñanza-aprendizaje.

Sus efectos se perciben en la estabilidad y sensibilidad del sistema y sobre el ruido o perturbaciones externas.

Control de la dirección de un automóvil  La dirección de las dos ruedas delanteras se puede visualizar

como la variable controlada o la salida.  La dirección del volante es la señal actuante o la entrada

Control de nivel.  En la figura 1.10 se muestra un sistema básico de lazo cerrado para regular

el nivel de liquido en un deposito

Control de temperatura

Teoría de Control

Realimentación positiva Es un mecanismo de realimentación por el cual una variación en la salida produce un efecto dentro del sistema, que refuerza esa tasa de cambio. Por lo general esto hace que el sistema no llegue a un punto de equilibrio sino más bien a uno de saturación. Es un estímulo constante.

Desventajas de la realimentación.  No se ejerce ninguna acción correctiva hasta tanto no se produce una

desviación de la variable controlada.  No provee de ninguna acción predictiva para compensar los efectos de las perturbaciones.  Puede no dar resultados satisfactorios para procesos con grandes constantes de tiempo o largos retrasos.

Actividad: Averiguar la configuración y funcionamiento de UN SISTEMA DE CONTROL CON REALIMENTACION

(realizar ejercicios del fin del capitulo 1, Libro de DORF, básicamente consisten en representar diversas situaciones en diagramas de bloques)

Clasificación de los sistemas de control. Según la característica temporal de la ley de control:  Control fijo o estándar: Los parámetros de la ley de control no varían

en el tiempo. Cuando las leyes del actuador y de la planta son fijas. El controlador debería ser robusto. Se llama control robusto a aquel que funciona correctamente ante errores en la modelización de la planta o cambios en ella.  Control adaptable (adaptativo): La ley de la planta cambia, y se

puede decidir para cada modelo de planta un controlador distinto. Se va cambiando el control variando los parámetros del modelo. Sirve para aquellos sistemas en los que el modelo de la planta varía con el tiempo.

Según el número de entradas y salidas

 Sistema SISO (Single Input, Single Output): Posee

una única entrada y una salida.  Sistema MIMO (Multiple Input, Multiple Output): Posee varias entradas y varias salidas.

Industria de generación de energía eléctrica  En la figura se muestra un modelo simplificado que muestra

algunas de las variables importantes de control en un gran sistema de generación de caldera

Clasificación de los sistemas de control Según la linealidad del sistema  Sistemas

lineales: Las ecuaciones diferenciales que describen al sistema, tanto a la planta como al controlador, son lineales.  Sistemas no lineales: Las ecuaciones diferenciales que describen al sistema no son lineales. Unas veces es la planta que no es lineal y otras veces es el controlador el que no es lineal.

Clasificación de los sistemas de control Según los parámetros del sistema:  Sistemas de parámetros concentrados: El sistema está

descrito por ecuaciones diferenciales ordinarias.  Sistemas de parámetros distribuidos: El sistema está

descrito por medio de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Un ejemplo de sistema de este tipo puede ser el control de la transmisión de calor a través de una superficie o volumen, o el control de la vibración de un punto de una membrana.