Automatizaci´ on de Procesos/Sistemas de Control Ing. Biom´ edica e Ing. Electr´ onica Capitulo I Introducci´ on D.U. Campos-Delgado Facultad de Ciencias UASLP
Enero-Junio/2014 1
CONTENIDO
Conceptos B´ asicos
Propiedades de los Sistemas de Control
Lazo Abierto
Lazo Cerrado
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Conceptos B´ asicos Variable controlada es la cantidad o condici´ on que se mide y se controla (salida del proceso). Ej.:
• Temperatura, • Velocidad, • Posici´ on angular, • Flujo de un gas o l´ıquido, • Presi´ on sangu´ınea, • Ritmo cardiaco, etc.
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Conceptos B´ asicos
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Conceptos B´ asicos Variable manipulada es la cantidad o condici´ on modificada por la ley de control a fin de afectar la variable controlada (entrada del proceso). Ej.:
• Voltaje aplicado a un compresor, • Voltaje aplicado a un motor, • V´ alvula de paso, • Voltaje aplicado a una servo-v´ alvula, • Tasa de infusi´ on de insulina o bolo de insulina inyectada, etc.
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Conceptos B´ asicos
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Conceptos B´ asicos Planta: cualquier objeto f´ısico o fen´ omeno que se desea controlar. Ej.:
• C´ amara de enfriamiento, • Incubadora, • Reactor qu´ımico, • Respuesta del cuerpo humano para la anestesia, • Veh´ıculo el´ ectrico, etc. Sistema o proceso: combinaci´ on de componentes que actuan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. Valor de referencia o set-point: nivel deseado de la variable controlada que se tiene como objetivo alcanzar dentro de la estructura de control. 7
Conceptos B´ asicos Error: se˜ nal indicadora de la diferencia entre el valor de referencia y el valor actual de la variable controlada. Generalmente se adopta al error como la diferencia entre la referencia y la medici´ on de la variable controlada. En general, un sistema de control puede implementarse con 2 filosof´ıas:
• Control anal´ ogico: utiliza sistemas mec´ anicos, el´ ectricos o electr´ onicos para implementar el algoritmo de control. • Control digital: utiliza un convertidor A/D para digitalizar las mediciones de la variable controlada y un convertidor D/A para generar una se˜ nal asociada con la variable maniupalada, donde el algoritmo de control se implementa de forma digital en un microcontrolador, DSP, programador l´ ogico programable o una computadora. 8
Conceptos B´ asicos Sensor: elemento encargado de medir u obtener informaci´ on de la variable controlada dentro del sistema y generalmente entrega una se˜ nal el´ ectrica proporcional a la misma. Ej.:
• Sensor de efecto hall de corriente, • Transductor de presi´ on, • Tac´ ometro, • Codificador rotatorio (encoder ), • Medidor de flujo, • Electrocardiograma, • Sensor continuo de glucosa, etc.
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Conceptos B´ asicos
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Conceptos B´ asicos Actuador: elemento encargado de procesar la variable manipulada y modificar el estado del sistema. Ej.:
• Puente-H de potencia, • Amplificador, • Relevador, • Controlador Trif´ asico de CA, • Compresor, etc. En general, se asume que la planta incluye el efecto del actuador y etapa de sensando.
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Conceptos B´ asicos
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Propiedades Primeramente se definen 3 conceptos:
• Perturbaci´ on: fenomeno que tiene un efecto adverso sobre la variable manipulada y se encuentra siempre presente en el proceso, aunque no se conocen sus tiempo de ocurrencia y en general no se puede medir. • Incertidumbre: falta de conocimiento acerca del proceso a controlar o del alg´ un par´ ametro del mismo. omalo o err´ ati• Falla: comportamiento an´ co de algunos de los componentes del sistema.
Robustez: capacidad del sistema de control de mantener un buen desempe˜ no ante incertidumbre. 13
Propiedades
Tolerancia ante fallas: propiedad de mantener un desempe˜ no aceptable o al menos no parar el proceso ante una falla.
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Propiedades Sistema SISO (Single-input Single-output): proceso que se caracteriza por tener una sola variable manipulada y una sola variable controlada (una entrada y una salida).
Sistema MIMO (Multi-input Multi-output): proceso que tiene m´ as de una variable manipulada y m´ as de una variable controlada (m´ ultiples entradas y salidas). EB canal de bajada (donwlink) canal de subida (uplink)
UM1 UM
U
UM2
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Lazo Abierto Sistema de control en lazo abierto: el algoritmo de control calcula con base al conocimiento del sistema y al nivel de referencia, es decir no existe un mecanismo de retroalimentaci´ on de informaci´ on. Ej.:
• Control de velocidad de un ventilador de piso, • Control de iluminaci´ on por un lampara, • Control de velocidad de una licuadora, etc. En general, los sistemas de control en lazo abierto son de bajo costo, pero en muchas ocasiones imprecisos y muy sensibles ante incertidumbre en la respuesta de la planta.
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Lazo Cerrado Sistema de control retroalimentado o en lazo cerrado: algoritmo encargado de medir el valor de la variable controlada y modificar la variable manipulada para corregir o limitar la desviaci´ on del error. Ej.:
• Control de temperatura en una camara de refrigeraci´ on, • Control de temperatura en una incubadora, • Control de anestesia durante una operaci´ on, • Control de velocidad de un veh´ıculo el´ ectrico, • Sistemas auto-regulatorios del cuerpo humano, etc. 17
Lazo Cerrado
En general, los sistemas de control en lazo as elevado que su cerrado tienen un costo m´ contraparte de lazo abierto, pero se mejora la precisi´ on en la regulaci´ on de la variable manipulada, as´ı como la robustez de los mismos.
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Tarea # 1 Describir un sistema de control en lazo abierto y otro en lazo cerrado, y en cada uno:
Identificar la variable controlada y manipulada
Dibujar de forma esquem´ atica sus componentes e interconexiones.
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