TEMA 1. Introducción a los sistemas de control OBJETIVOS •
Reconocer en un sistema las variables de entrada, de salida y de perturbación. perturbación.
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Distinguir un sistema de control en lazo abierto y en lazo cerrado.
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Reconocer en un sistema de control, lazo abierto o cerrado, las variables de entrada, salida y perturbación.
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Reconocer las tareas que se realizan en un sistema de control, y los elementos que lo integran. i ntegran.
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Distinguir el control automático del manual.
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Enumerar las ventajas y desventajas del control automático frente al control manual.
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Enumerar las ventajas y desventajas del control en lazo abierto frente al control en lazo cerrado.
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Clasificar los sistemas de control.
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Explicar el funcionamiento de sistemas de control sencillos.
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Dado un sistema sencillo proponer algún sistema de control para él.
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Saber que etapas deben seguirse en la realización de un sistema de control.
TEMA 1. Introducción a los sistemas de control CONTENIDOS – Defini Definicio ciones nes básica básicass – Sistemas Sistemas de control control en lazo abierto abierto y lazo lazo cerrado. – Tipo Tiposs de de cont contro roll – Ejemplos Ejemplos ilustr ilustrativo ativoss de sistem sistemas as de control. control. • Sistem Sistemaa de cont control rol de de presi presión ón • Sistem Sistemaa de contr control ol de velo veloci cidad dad • Servo Servosis sistem temaa (sincr (sincros os)) • Sistema Sistema de contr control ol de temper temperatur aturaa (control (control por por ordenador) • Sistema Sistema de contro controll de tempera temperatura tura en en la cabina cabina de de un coche (control prealimentado) prealimentado) • Control Control de de la posici posición ón del del brazo brazo del del robot robot • Control Control de la fuerza fuerza de agarre agarre de la mano del robot
– Etapas Etapas en la realiza realización ción de un sistema sistema de control
Definiciones básicas Sistema: es la combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo.
Ejemplos de sistema Motor DC
Variables de de en entrada Variab le les de de sa salida Tens Tensiión de arm armadur aduraa Vel Veloci ocidad dad de de giro giro del del eje eje Posició n del eje
Variable de entrada: es una variable del sistema tal que una modificación de su magnitud o condición puede alterar el estado del sistema. Variable de salida: es una variable del sistema cuya magnitud o condición se mide. Perturbación: es una señal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada.
Pertu rb rbaciones Exte Extern rna: a: par par de de car carga ga Interna: temperatura dentro del motor
¿Intensidad ¿Intensidad de armadura?
Una habitación en la que se dispone de un calentador eléctrico que se puede encender o apagar, de un termómetro para medir la temperatura y de una puerta que puede estar abierta o cerrada Variables de entrada Interruptor del calentador eléctrico
Variables de salida Temperatura en la habitación
Perturbaciones Externas: • Temperatura del exterior de la habitación • Estado de la puerta Interna: actividad de las personas dentro de la habitación
Sistemas de control • Definición
Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado • Ejem Ejempl plos os de de sist sistem emas as con con con contr trol ol::
– Sistema Sistema de de contro controll es el conjun conjunto to de de dispositivos que actúan juntos para lograr un objetivo de control
– Motor Motor DC cont control rolado ado por por armad armadura ura • Objetivo: Objetivo: velocida velocidad d o posic posición ión desea deseadas das • Variables Variables de de control: control: voltaje voltaje o inten intensida sidad d de armadur armaduraa • Pertur Perturbac bacion iones: es: par par de carga carga
perturbación
Objetivo de control
salida SISTEMA entrada SISTEMA DE CONTROL
– Cualquier Cualquier planta planta de proces proceso o continuo continuo tiene muchos sistemas de control • Contro Controll de nivel nivel en en depó depósit sitos os • Contro Controll de fluj flujo o en tuberí tuberías as
– Cuer Cuerpo po hum human ano: o: • A nivel nivel microsc microscópic ópico: o: planta planta indust industrial rial y red red de transporte con numerosos sistemas de control • A nivel nivel macroscó macroscópico pico:: control control de la tempera temperatura tura corporal
– Sistem Sistemaa econó económic mico o mundi mundial al • ¿Objetivo ¿Objetivo?, ?, ¿Variable ¿Variabless de control?, control?, ¿Perturb ¿Perturbacio aciones? nes?
• Clasif Clasifica icació ción: n: Lazo Lazo abi abiert erto o o cerr cerrado ado
Sistemas de control en lazo abierto
• Aquell Aquellos os en en los los que que la vari variabl ablee de salida salida (variable controlada) controlada) no tiene efecto sobre la acción de control (variable (variable de control). control). • Caracterís rísticas – No se compar comparaa la salida salida del del sistema sistema con con el valor valor deseado de la salida del sistema (referencia). – Para cada cada entrada entrada de referenc referencia ia le corresp corresponde onde una condición de operación fijada. – La exactitu exactitud d de la salida salida del sistema sistema depende depende de la calibración del controlador. – En presenc presencia ia de perturbaci perturbaciones ones estos sistemas sistemas de control no cumplen su función adecuadamente.
• Ejemplo: – Control Control en lazo lazo abierto abierto por por tensión tensión de armadura armadura de un motor DC de excitación independiente.
Sistemas de control en lazo abierto – El control control en lazo lazo abierto abierto suele aparecer aparecer en en dispositivos con control secuencial, en el que no hay una regulación de variables sino que se realizan una serie de operaciones de una manera determinada. Esa secuencia de operaciones puede venir impuesta por eventos (event-driven) o por tiempo (timedriven). Se programa utilizando PLCs (controladores de lógica programable) – Eje Ejemplo mplos: s: • Lavadora: – Funcio Funciona na sobre sobre una base base de tiempo tiemposs – Variable Variable de salida salida “limpi “limpieza eza de la ropa” ropa” no afecta afecta al funcionamiento de la lavadora.
• Semáf Semáforo oross de de una una ciudad ciudad – Funcio Funcionan nan sobre sobre una una base de tiemp tiempo o – Variable Variable de salida salida “estado “estado del del tráfico” tráfico” no afecta afecta la funcionamiento del sistema.
Sistemas de control en lazo cerrado
Sistemas de control en lazo cerrado
• Definición: control retrolimentado • Definición: sistema de control en lazo cerrado – Aquellos Aquellos en en los que la la señal señal de salida salida del sistema (variable (variable controlada) controlada) tiene efecto directo sobre la acción de control (variable ( variable de control). control).
– Operac Operación ión que en pres presenc encia ia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia. Esta reducción se logra manipulando alguna variable de entrada del sistema, siendo la magnitud de dicha variable de entrada función de la diferencia entre la variable de referencia y la salida del sistema.
•
Ej: Reloj de agua
– Probable Probablement mentee el primer primer siste sistema ma alimentación creado por el hombre.
de de
retroretro-
– Inventad Inventado o por Ctesibios Ctesibios de de Alejand Alejandria ria (Egipt (Egipto, o, aprox. 260 a.c.)
Sistemas de control en lazo cerrado • Clasificación – Manuales: Manuales: controlado controladorr operad operador or humano humano – Automático Automático:: controlad controlador or dispositiv dispositivo o • Neumático Neumático,, hidráulic hidráulico, o, eléctric eléctrico, o, electró electrónico nico o digital (microprocesador) (microprocesador)
• Conv Convers ersió ión n de manual manual a autom automáti ático co • Ejemplo – Contro Controll de temp tempera eratur turaa de un un intercambiador de calor usando vapor como medio calefactor
– Reemplaza Reemplazarr el operario operario por por un contro controlador lador automático en el que se pueda fijar la señal de referencia. – Acoplar Acoplar un un transdu transductor ctor (elemento (elemento que transforma un tipo de señal en otra) al elemento que mide la temperatura de forma que la señal de salida del transductor se introduzca al elemento controlador y sea del mismo tipo que la señal s eñal de referencia. – Reemplaza Reemplazarr la válvul válvulaa de vapor vapor manual manual por una automática y conectar la salida del controlador a la entrada de control de la válvula de regulación.
• El Elem emen ento toss de de un un laz lazo o de de con contr trol ol – Sist Sistem emaa a cont contro rola lar r – Cont Contro rola lado dor r – Actuador Actuador (pued (puedee incluirs incluirsee en el sistema sistema a controlar) – Medido Medidor: r: senso sensorr + transd transduct uctor or
• Fu Func ncio ione ness de de un un laz lazo o de de cont contro roll – Medir Medir el valor de la variable variable controlada controlada (medida y transmisión). – Detectar Detectar el el error error y genera generarr una acción acción de control (decisión). – Usar la acción acción de control control para manipular manipular alguna variable en el proceso de modo que tienda a reducir el error (manipulación)
• Vent Ventaj ajaa de dell co cont ntro roll en en la lazo zo cerrado frente al control en lazo abierto: – Respue Respuesta sta del del sist sistema ema se se hace hace relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de los parámetros del sistema
• Desv Desven enta taja ja cerrado:
dell de
contr con trol ol
en
lazo la zo
– Aparec Aparecee el el probl problema ema de la estabilidad estabilidad,, ya que si el controlador no está bien ajustado puede tener tendencia a sobrecorregir errores, que pueden llegar a producir en la salida del sistema oscilaciones de amplitud creciente llegando a inestabilzar el sistema.
Tipos de control • Real Realim imen enta taci ción ón de la sali salida da:: – Lazo Lazo abier abierto to y lazo lazo cerra cerrado do
• Comp Comport ortam amien iento to de de la señal señal de de refer referenc encia. ia. – Sist Sistem emas as segu seguid idor ores es • La entrada de referencia cambia de valor frecuentemente – Ejemplo: Ejemplo: servomec servomecanism anismos os (sistemas (sistemas de control control realimentado en el cual la salida es alguna posición, velocidad o aceleración mecánica). – Ejemplo Ejemplo de servomec servomecanism anismo: o: posicionami posicionamiento ento de los los cañones de una batería de tiro antiaérea.
– Sistemas Sistemas de regulación regulación automática automática • La entrada de referencia es o bien constante o bien varía lentamente con el tiempo, tiempo, y donde la tarea fundamental fundamental consiste en mantener la salida en el valor deseado a pesar de las perturbaciones las perturbaciones presentes. – Ejemplos: Ejemplos: el sistem sistemaa de calefacci calefacción ón de una casa, casa, un regulador de voltaje, un regulador de presión de suministro de agua a una comunidad de vecinos
Tipos de control • Tipo de señal – Analóg Analógico icoss (conti (continuo nuos) s) – Digita Digitales les (discr (discreto etos) s)
Tipos de control • En func funció ión n de de la indu indust stri riaa – Cont Contro roll de proc proces esos os • Los sistem sistemas as de contro controll de proceso procesoss son aquel aquellos los que requieren la regulación de variables de proceso (temperaturas, concentraciones, caudales, niveles …). Estos sistemas de control requieren la manipulación de unidades de proceso continuas (no se interrumpe el flujo) y discontinuas, batch o por lotes (se interrumpe el flujo). • Ejemplos Ejemplos:: refinerí refineríaa de petró petróleo, leo, plant plantaa producción producción de energía eléctrica, papelera …
de
– Control Control de máquinas máquinas manufactu manufacturera rerass • Cont Contro roll Numé Numéri rico co – Usa un programa programa para controla controlarr la secuencia secuencia de operaciones una máquina, dicho programa contiene instrucciones que especifican posiciones, direcciones, velocidades y velocidad de corte.
• Cont Contro roll de robo robots ts – Un manipulad manipulador or programabl programablee diseñado diseñado para para mover mover materiales, herramientas en una secuencia determinada para realizar una tarea específica.
Ejemplos de sistemas de control Control de presión
¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas? ¿Diagrama de bloques?
Regulador centrífugo de Watt para el control de velocidad de una máquina de vapor que fue diseñado en el siglo XVIII
Si ω < referencia
Sistemas Sincro (servosistema)
Entra más combustible y, por consiguiente, aumenta la velocidad de giro
¡Los sincros son generadoress AC generadore asíncronos!
Si ω > referencia
V1 V2
Entra menos combustible y, por consiguiente, disminuye la velocidad de giro ¿Es un sistema seguidor o de regulación automática? ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas?
El voltaje de salida del sincro transformador (V2) es igual al voltaje de alimentación al sincro transmisor (V1), pero desfasado un ángulo θ igual a la diferencia de los ángulos girados por el rodillo maestro y el esclavo. ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas? ¿Diagrama de bloques?
Sistema de control de temperatura por ordenador Control digital
Sistema de control de temperatura de la cabina de un vehículo. Control feedforward o prealimentado
¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas?
¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas?
Control de la posición de un brazo de un robot
Control de la fuerza de agarre de la mano d un robot
Actuador motor de pasos. Dispone de un sensor de deslizamiento para evitar que la pieza se caiga Posionamientos que requieran potencia ⇒Accionamientos neumáticos o hidráulicos Posionamientos que no requieran mucha potencia ⇒Accionamientos electromecánicos (motores) ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas?
¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas?
Etapas en la realización de un sistema de control • Análisis del sistema que se quiere controlar ⇒objetivos de control •
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¿Qué se quiere regular? Variables de referencia. ¿Qué hay que medir? Variables de salida. ¿Qué se puede manipular? Variables de control.
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¿Perturbaciones?
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¿Situaciones peligrosas?
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¿Procedimientos de arranque y parada?
Establecer regulación.
la
estructura
de
– Especi Especific ficar ar que que variab variables les se van van a realimentar y que variables se van a manipular para lograr los objetivos de control
• Seleccionar, diseñar y sintonizar los reguladores seleccionados. – La correct correctaa ejecuci ejecución ón de de este este paso paso es función de haber establecido antes los criterios de control. • Rechaz Rechazo o de pertur perturba bacio ciones nes • Errore Erroress estaci estacion onari arios os • Respues Respuesta ta dinámi dinámica ca ante ante cambio cambioss en la referencia • Sensibil Sensibilidad idad a cambios cambios de paráme parámetros tros del sistema
– Un correc correcto to diseño diseño de los reguladore reguladoress puede requerir el disponer de un modelo lineal del proceso a controlar. Así una etapa previa es el desarrollo de un modelo matemático adecuado para los fines de control.
• Evaluar el diseño del sistema de control, utilizando técnicas de simulación dinámica. • Realización práctica y puesta a punto del sistema de control diseñado.
