UNIDAD I FUNDAMENTOS DE LA INGENIERIA DE CONTROL

Texto completo

(1)

UNIVERSIDAD ALONSO DE OJEDA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE COMPUTACIÓN

ASIGNATURA:

SISTEMAS DE CONTROL

PROFESORA:

ING. NELSYMAR MILLÁN

CREADO POR PROFESOR:

(2)

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

Sistema

(3)

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 Proceso:

Fabrica de Manufactura

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.

(4)

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.

SISTEMA

Entrada Salida

Elementos y Reglas

Parámetros del Sistema Variables del Sistema

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.

CONTROL

Objetivo

(5)

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

Tanque

Abre Válvula

Salida de Fluido

Regula el Nivel

Acelerador

Velocidad Real Velocidad

Deseada

Medidor

Vehículo Conductor Acción

(6)

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.

(7)

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.

(8)

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.

(9)

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.

(10)

EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL:

Tanque de Agua

Flotador

Sistema de Control de NIVEL

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

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)

Tanque de Agua

Válvula

(11)

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

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)

SIMBOLOGIA PARA DIAGRAMA DE INSTRUMENTOS :

CONEXIÓN AL PROCESO O ENLACE MECANICO

CONEXIÓN SEÑAL NEUMATICA (PRESIÓN AIRE) -CONEXIÓN SEÑAL HIDRAULICA (PRESIÓN ACEITE) CONEXIÓN SEÑAL ELECTRICA (ELECTRONICO) CONEXIÓN SEÑAL ELECTROMAGNETICA ( INALAMBRICO) XXYY ZZ-NN SIMBOLO INSTRUMENTO

(TRANSMISOR, CONTROLADOR, ETC)

V-1 V-2 V-3 V-4 E-1 Válvula Manual Válvula Control

Neumática Válvula ControlMotorizada Válvula Solenoide Bomba Eléctrica

(12)

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.

(13)

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.

EJEMPLOS DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:

Proceso: Intercambiador de Calor

Variable controlada: Temperatura fluido

Variable manipulada: Flujo Vapor

Valor deseado: Temperatura T

Variable de perturbación: Temp. Externa

Medidor: Transmisor de Temperatura TT

Actuador: Válvula

Controlador: Controlador TC

TT

TC

Vapor Válvula

Intercambiador Entrada fluido

Transmisor de Temperatura

Controlador de Temperatura Salida fluido

(14)

PV -01 - 1 01 -1 01 -1 PT IP 01 -1 PC S -7 MEDIDOR (TRANSMISOR DE PRESIÓN ) CONVERTIDOR ( CORRIENTE A

PRESIÓN )

VALVULA NEUMATICA PARA CONTROL DE

PRESIÓN

CONTROLADOR DE PRESIÓN

( ELECTRONICO )

F

SP

(VALOR DESEADO )

LÍNEA DISTRIBUCIÓN DE GAS

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

(15)

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 REPRESENTACIÓN GRÁFICA

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.

(16)

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

(17)

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?

RESISTENCIA DE

CALENTAMIENTO AMPLIFICADOR

+ - +

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

MEDIDOR DE TEMPERATURA

T1

T2

R

-POTENCIOMETRO

(18)

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.

Control a Lazo Abierto: Es aquel en el que la salida no influye sobre la acción de control.

Su esquema básico es:

SISTEMA DE

REGULACION PROCESO, OBJETO

SALIDA ENTRADA

Influencia

Señal de Regulación

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:

SISTEMA DE REGULACION SISTEMA, PROCESO, OBJETO

SALIDA ENTRADA

Perturbaciones

Observación

Señal de Medición Influencia

(19)

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 sin flotador: CONTROL MANUAL

A LAZO CERRADO

Caso con flotador: CONTROL AUTOMATICO

(20)

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:

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...