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1.

Introducción al Control Automático

1. Introducción al Control Automático ______________________________1

1.1. Idea de Control ________________________________________________________________________________________________ 2 1.2. Objetivos del Control __________________________________________________________________________________________ 13 1.3. Historia _____________________________________________________________________________________________________ 17 1.4. Componentes del Lazo ________________________________________________________________________________________ 21 1.5. Tipos de Control ______________________________________________________________________________________________ 25 1.6. Ejemplos ____________________________________________________________________________________________________ 30

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1.1. Idea de Control

- tener el control

- control sobre un automóvil

- control de temperatura de una sala Bases de nuestro curso:

Necesidad del conocimiento del sistema o proceso a controlar Estudio de técnicas para el control

Cantidad muy grande de sistemas controlados en forma automática: Sistemas diseñados por el ser humano:

control de velocidad, posición, nivel, temperatura En seres vivos

control de presión de sangre, temperatura, cantidad de azúcar, diámetro de pupilas.

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01 Introducción.doc 3 Control con realimentación: caso especial.

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01 Introducción.doc 4 Históricamente se utilizaba el control automático para reemplazar tareas huma-nas

Hoy es usado para:

- aumento y constancia (repetitibilidad) en la calidad - mejor rendimiento

- menor desperdicio y reprocesado de productos - menos contaminación

- mayor margen de seguridad - menor consumo de energía

Reducción de 2-10% en los costos operativos representan un monto anual muy importante.

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- No es fácil controlar un proceso

- La entrada afecta a la salida pero la salida afecta la entrada - Es fácil y barato obtener un control de bajo rendimiento

Un control de alto rendimiento es caro y requiere: - conocimiento acabado del proceso

- conocimiento de su dinámica

- comprensión de la teoría de control - buenos sensores

- computadoras rápidas

Muchas veces no se sabe cuánto cuesta pasar de un control simple a uno más sofisticado

Muchas veces no se sabe cuál es el beneficio de pasar de un control simple a uno más sofisticado

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- ¿Cuáles son los impedimentos para lograr un buen control?

• Hardware (no es un problema) - comunicaciones rápidas

- velocidad de procesamiento - flexibilidad

- software amigable

• Sensores y Actuadores ( sí es un problema)

- muchas veces no se comprende lo importante que es esto - a veces no existen sensores

- o son muy lentos • Tiempo (si)

- se necesita muchas horas hombre calificadas para estudiar el problema - diseño, implementación, ajuste es tiempo calificado

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01 Introducción.doc 7 • Cultura (si)

- Nivel gerencial

o hay que demostrar que se gasta 100K$ para ahorrar 500K$/año o es difícil cuantificar y clasificar el beneficio

o los gastos en control no se ven (algoritmos, líneas de código, teoría) - Gente de Proceso y Control

o el control no es fácil

o se debe pensar más allá del pensamiento actual

o a veces las herramientas de diseño no son fáciles de usar - Operadores

o el nuevo control no te va a echar, te va a hacer la vida más fácil

o hay que hacer las cosas diferentes para conseguir mejores resultados - Docentes

o ir más a la práctica

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01 Introducción.doc 8

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01 Introducción.doc 9 Beneficios del Control

- Baja escala: mejoras de bajo costo para muchos reguladores de bajo nivel o gasto en educación básica de control

o gasto de horas-hombres de personal de control y procesos

- Alta escala: cambios costosos para pocos lazos pero con un alto rendimiento. o regulación compleja

o supervisión o optimización

- Recordar: hay que cuantificar los beneficios!!

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- ¿Cómo abordar un problema de control complejo?

- Conformar un equipo de trabajo

o multidisciplinario: procesistas, controleros, instrumentistas, operadores, gerentes.

- - Definir la situación actual:

o ¿qué comportamiento exactamente tenemos hoy en día? ¿cómo lo medi-mos?

- Listar las mejoras a introducir

o ¿cuál es la mínima mejora aceptable? - Cuantificar los beneficios

o ponerlos en cifras $$

o calcular la tasa de retorno

- Elegir un método de diseño y solución acorde o hay muchos para elegir

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01 Introducción.doc 11 - Implementación

o pensar en una rápida prototipación para reducir costos y tiempo

o pensar en herramientas para depuración (graficación, acceso a variables) - Verificación de resultados

o importante para futuros proyectos o escribir todo

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La industria tiene músculos

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1.2. Objetivos del Control

Hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculan-do una señal de entrada (u).

Se debe cumplir esto independiente de - de perturbaciones de entrada

- ds perturbaciones de salida

- Gˆ imprecisión en el conocimiento de la planta Ejemplo:

"mantener el caudal de salida de una bomba teniendo en cuenta variaciones de fric-ción del fluido con la temperatura, variaciones del caudal de entrada, una medifric-ción

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01 Introducción.doc 14 En todos los casos se debe calcular u

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- Control con Realimentación

Se usa para:

- Regulación: controlar un sistema para mantener una condición inicial o estado ce-ro

- Seguimiento de referencia: el sistema debe seguir una trayectoria con cierta espe-cificación. Muy común en sistemas mecánicos

- Rechazo de perturbaciones: el sistema debe ser inmune a variaciones de carga u otro tipo de cambios. Común en control de procesos.

- Generalmente se necesita una combinación de todas llegando a un compromiso. - El conocimiento del procesos es la clave para la solución de los problemas de

control

- Utilizar la lógica para analizar los problemas

- Describir los procesos en diagramas de bloques y modelos

- La técnica de diseño del control (Ziegler-Nichols, LQG, H) es de relevancia se-cundaria.

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- Estabilidad

un sistema es estable cuando es atraído y permanece en un punto de equilibrio - Estabilidad marginal

el sistema tiene una oscilación sostenida - Inestabilidad

- el sistema tiene una oscilación creciente o crece constantemente

- El control puede

- estabilizar un sistema inestable o marginalmente estable - desestabilizar un sistema estable

- mejorar la velocidad de respuesta

- reducir el efecto de las perturbaciones - reducir el efecto de las incertidumbres

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1.3. Historia

- Control de nivel

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01 Introducción.doc 18

- Control de Temperatura (1620)

- Control de Velocidad de Rotación (1788)

Máquina de Watt

bolas girando a diferentes diámetros se utilizan como sensor de velocidad varían la salida de vapor

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01 Introducción.doc 20

- Teoría

J.C. Maxwell – 1868 – On Governors – ecuaciones diferenciales, linealización, estabilidad, ecuación característica.

E. J. Routh – 1877 – gana premio Adams con su criterio de estabilidad.

A. M. Lyapunov – 1892 – estabilidad (recién se utilizó en control a partir de 1958)

H. Nyquist – estabilidad en frecuencia

H. W. Bode (1945) amplificadores realimentados – análisis frecuencial – impacto de las comunicaciones

Callender (1936) PID para procesos industriales Wiener (1930) procesos estocásticos

Kalman y Bellman 1950 – optimización y filtrado

Pontryagin – variables de estados (edo) control óptimo Moscu – 1960 – nace IFAC

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01 Introducción.doc 21

1.4. Componentes del Lazo

- Descripción de elementos: Planta Actuador Sensores Referencia Perturbación

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01 Introducción.doc 23

- Planta

proceso o elemento a controlar

- Sistema

conjunto de elementos que interactúan

- Entrada

variable del sistema que es posible manejar

- Salida

variable del sistema que es necesario comandar

- Referencia

valor al cual debe llegar la salida

- Perturbación

efecto que altera las condiciones de un proceso

- Sensor

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- Regulador

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1.5. Tipos de Control

- Lazo Abierto

más estable

adecuado cuando se conoce el sistema y las perturbaciones de antemano necesita menos potencia

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01 Introducción.doc 28 Usa realimentación

menos sensible a perturbaciones

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- Control Directo e Indirecto

control directo: se controla directamente la variable que se desea corregir control indirecto: se controla otra variable que influye a la principal.

Es mejor el control directo.

Es importante la elección de las variables de control.

- Control Adaptativo

se ajusta frente a cambios en la planta

- Control Con Aprendizaje

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1.6. Ejemplos

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- Control de Tráfico

- Control de Sistemas Biológicos

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