Introduccion Control
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Este documento presenta un resumen de tres oraciones o menos del curso de Control Automático impartido en la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. El curso introduce conceptos básicos de sistemas de control, analiza sistemas de control lineales e invariantes en el tiempo, y enseña sobre controladores y control digital usando software moderno. El curso consta de cinco unidades y evalúa a los estudiantes a través de exámenes frecuentes, parciales y una evaluación final.
Introduccion Control
- 1. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Ingeniería Automotriz CONTROL AUTOMATICO Dr. Mario Audelo Guevara 1 Objeto de estudio Introducción al proceso de análisis y diseño de sistemas de control. 2 1
- 2. Objetivos Analizar y diseñar sistemas de control, a un nivel reproductivo y productivo, aplicando conceptos, principios y métodos en el dominio de la frecuencia y del tiempo, para resolver problemas de diseño utilizando herramientas como software moderno en sistemas de control lineales e invariantes con el tiempo. 3 Resumen del contenido UNIDADES 1 Introducción al control automático 2 Sistemas de control y modelos 3 Análisis de los sistemas realimentados 4 Controladores 5 Control digital-microcontroladores 4 2
- 3. Método de calificación EVALUACIONES FRECUENTES: Resolución de problemas de cada unidad, 10% de 28 puntos (2.8). Consultas sobre temas específicos 10% de 28 puntos (2.8). Trabajos prácticos, 30% de 28 puntos (8.4) EVALUACIONES PARCIALES: Al final de cada Unidad, se receptará una prueba escrita/oral, 50% de 28 puntos (14). EVALUACIÓN FINAL: Prueba escrita sobre las habilidades más relevantes de cada una de las unidades para conocer si el estudiante es capaz de demostrar los objetivos de la asignatura. 70% de 12 puntos (8.4). Instalación y operación de un sistema de control, 30 % de 12 puntos (3.6). 5 Bibliografía INGENIERIA DE CONTROL MODERNA. Katsuhiko Ogata. Prentice Hall. SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL. Benjamin C. Kuo. CECSA. 6 3
- 4. Restricciones: Las tareas se no se podrán entregar después de la fecha indicada Cualquier aclaración sobre faltas o no estar en listas, dirigirse primero con el Director de Escuela. Los exámenes se realizaran dentro del horario de clases y no se podrán extender fuera de este. No hay exámenes para llevar. No se permite sacar laptops, libros, celulares en los exámenes. 7 Historia del Control Automático La historia del control automático es muy fascinante y se remonta hasta los principios de la civilización. Análisis de estabilidad basado en ecs. difs J. C. Maxwell (1868) Reloj de agua Regulador centrífugo (300 AC) de James Watt (1788 DC) Prehistoria Historia Uso de Modelos matemáticos 8 4
- 5. Historia del Control Automático Las primeras aplicaciones se remontan a los mecanismos reguladores con flotador en Grecia. Flotador con válvula Flotador con apuntador El reloj de Ktesibius fue construido alrededor de 250 BC. Es considerado el primer sistema de control automático de la historia. 9 Historia del Control Automático Herón de Alejandría (100 D. C.) Publicó un libro denominado Pneumatica en donde se describen varios mecanismos de nivel de agua con reguladores de flotador. Medidor de tiempo La Fuente mágica de Herón de Alejandría 10 5
- 6. Historia del Control Automático Sin embargo el primer trabajo significativo en control con realimentación automática fue el regulador centrífugo de James Watt, desarrollado en 1769 Engranes Aceite a Cierra presión Abre Motor Carga Combustible Válvula de control Esquema de Regulador de velocidad moderno 11 ¿Que es un Sistema de Control? Un sistema de Control es una interconexión de componentes que forman una configuración del sistema que proporcionara una respuesta deseada. Un componente o proceso que vaya a ser controlado puede representarse mediante un bloque como se muestra en la figura. 12 6
- 7. Relevancia de los sistemas de control El control automático juega un papel muy importante en el avance de la ingeniería y la ciencia. El control automático es una disciplina de la ingeniería automotriz relativamente joven. En la gran mayoría de las industrias, el control automático viene a satisfacer las necesidades que se presentan para poder operar de manera satisfactoria. 13 Aplicaciones Aplicaciones Modernas Vehículos Espaciales En los vuelos espaciales, los sistemas de control son de gran utilidad: Sirven para que el vehiculo siga fielmente la trayectoria (hiperbólica) deseada de vuelo, la velocidad de escape necesaria para vencer la fuerza de gravedad, y a la vez, contrarrestar el efecto del viento sobre el vehiculo espacial. 14 7
- 8. Aplicaciones Aplicaciones Modernas Satélites En los satélites que orbitan la tierra, los sistemas de control son muy útiles: Sirven para cuando el satélite gire de una posición a otra, los paneles solares, los cuales son flexibles, no oscilen, y de esta forma los paneles solares no se estresen y así evitar una futura fisura en el satélite. 15 Aplicaciones Aplicaciones Modernas Misiles Los misiles son pioneros en la aplicación del control automático: El control automático se usa para controlar la trayectoria predefinida a seguir, al igual que la velocidad para, a la vez como contrarrestar las ráfagas de viento y de esta forma poder dar en el blanco propuesto. 16 8
- 9. Aplicaciones Aplicaciones Modernas Robots En el área de la robótica, el control juega un papel central: Por ejemplo en la foto se presenta un robot caminador diseñado por Honda, en donde el control automático balancea al robot para que este guarde el equilibrio y no se caiga. 17 Aplicaciones Aplicaciones Modernas Ingeniería Biomédica En el área de la Biomédica, el control juega un papel muy importante: Por ejemplo, la administración de insulina en los enfermos de diabetes se está realizando de forma automatizada. 18 9
- 10. Aplicaciones Aplicaciones Industriales Maquinas de Control Numérico Las maquinas de control numérico sirven en la manufactura de piezas de diseño muy particular o único, usando materiales como acrílico, cobre, entre otros: Estas maquinas usan el control automático para posicionar correctamente las distintas herramientas que se requieran en la manufactura de una pieza. 19 Aplicaciones Aplicaciones Industriales Ahorro de energía Los motores eléctricos en la industria son los principales consumidores de energía en donde el control automático juega de nuevo un papel importante: El control automático puede minimizar de manera optima los consumos de energía de los motores eléctricos, además de mantener sus velocidades constante sin importar las variaciones de la cargas que estén soportando. 20 10
- 11. Aplicaciones Aplicaciones Industriales Cuartos limpios Los cuartos limpios son usados en la manufactura de nano- tecnología, medicamentos, laboratorios de animales, etc.: El control automático regula varios parámetros que hacen de estos cuartos que sean “limpios”, tales como la temperatura, humedad, partículas suspendidas, luminosidad, etc. 21 Aplicaciones Aplicaciones Industriales Industria automotriz En la industria automotriz, el control automático está jugando un papel muy importante que marca los avances de la tecnología automotriz: El control automático se usa en la inyección electrónica de combustibles, frenos abs, bolsas de aire, control de velocidad de crucero, entre otros. 22 11
- 12. Conceptos Básicos Sistema.- Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo específico. Por lo que podemos encontrar sistemas mecánicos, eléctricos, biológicos, químicos, económicos, etc. Un sistema de control se puede considerar como una caja negra que sirve para controlar la salida de un valor o secuencia de valores determinados. Entrada Proceso Salida 23 Ejemplo Ejemplo de un Sistema de Control: fijar el valor de la temperatura deseada por medio de un horno de calefacción que se ajusta de modo que el agua que sea bombeada a través del radiador produzca la temperatura deseada. 24 12
- 13. Ejemplo Ejemplo de un Sistema 25 Ejemplo Ejemplo de un Sistema de Medición 26 13
- 14. Ejemplo Un sistema de medición se podría considerar como una caja negra que se utiliza para medir. La entrada es la magnitud que se desea medir y su salida es el valor correspondiente a dicha magnitud. Sensor: el cual responde a la cantidad que se mide, dando como salida una señal relacionada. Accionador de Señal: manipula y convierte la señal de sensor una forma adecuada. Sistema de Presentación Visual: pantalla o display, se observa la salida producida por el acondicionador de señal. 27 Conceptos Básicos Sistema de control en lazo cerrado.- Son en los que se mantiene una constante medición de la señal de salida, la cual es comparada con una señal deseada o de referencia. La diferencia existente entre ambas señales se le conoce como error, el cual es minimizado mediante un controlador. Sistema de Control en Lazo Cerrado: es aquel en donde la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. Se reajusta la salida hasta obtener el valor deseado. 28 14
- 15. Elementos de un Sistema en Lazo Cerrado 1. Elemento de Comparación: compara el valor deseado o de referencia de la condición variable que se controla con el valor medido de lo que se produce y genera una señal de error. 2. Elemento de Control: decide que acción llevar a cabo, por ejemplo una señal para accionar un interruptor o abrir una válvula. 3. Elemento de Corrección: produce un cambio en el proceso a fin de corregir o modificar la condición controlada. El termino actuador designa al elemento de una unidad de corrección que proporciona la energía para realizar la acción de control. 4. Elemento de Proceso: el proceso es lo que se está controlando. 5. Elemento de Medición: produce una señal relacionada con el estado de la variable del proceso que se controla. Por ejemplo un termopar que produce una f.e.m. relacionada con la temperatura. 29 Elementos de un Sistema en Lazo Cerrado Ejemplo: Persona que controla la temperatura de una habitación Variable Controlada – temperatura de la habitación Variable de Referencia – temperatura deseada de la habitación Elemento de Comparación – persona que compara los valores Señal de Error – diferencia entre la temperatura medida y deseada Unidad de Control – persona Unidad de Corrección – interruptor del calentador Proceso – calentamiento mediante un calentador Dispositivo de Medición - termómetro 30 15
- 16. Ejemplo Por ejemplo el cuerpo cuenta con un sistema de control de temperatura. Este sistema recibe una entrada enviada por sensores que le dicen cual es la temperatura y compara estos datos con el valor que debe tener, a continuación produce la respuesta adecuada a fin de lograr la temperatura requerida. 31 Ejemplo Control por retroalimentación para tomar un lápiz: 32 16
- 17. Conceptos Básicos Sistema de control en lazo abierto.- Son en los que la salida no afecta la acción de control. Por ejemplo, la lavadora es un sistema en lazo abierto ya que opera sobre una base de tiempo, y la salida, es decir la limpieza de la ropa no afecta a esta. Sistema de Control en Lazo Abierto: no se retroalimenta la información al elemento de control para reajustar la salida y mantenerla al valor deseado. 33 Ejemplo Control en Lazo Abierto: 34 17
- 18. Sistemas en Lazo Abierto y Lazo Cerrado Los sistemas de lazo abierto tiene la ventaja de ser relativamente sencillos, por lo que su costo es bajo y en general su confiabilidad es buena. Sin embargo pueden ser imprecisos ya que no hay correción de errores. Los sistemas de lazo cerrado tienen la ventaja de ser bastante precisos para igualar el valor real y el deseado, pero son más complejos y costosos. 35 Sistemas en Lazo Abierto y Lazo Cerrado LAZO ABIERTO LAZO CERRADO Ventajas: Ventajas: •Fácil de implementar •Si existe un error en la salida •Sencillo el control lo compensa. •Económico • Si hay perturbaciones el Desventajas: control las compensa. •Si existe un error en la salida, el • Puede utilizar componentes control no lo compensa. imprecisos y baratos. • Si hay perturbaciones, el control Desventajas: no las compensa. •A veces complicado para • La efectividad depende de la implementar calibración. • Tiene más componentes que un •Necesita componentes precisos control a lazo abierto. • Utiliza más potencia. • Necesita sensores que pueden no ser económicos. 36 18
- 19. Conceptos Básicos Variable de referencia.- Es lo que se desea ver reflejado en la salida o en la variable controlada. Variable de error.- Es la desviación de la salida o variable controlada con respecto a la variable de referencia. Variable de control.- Es la cantidad o condición modificada por el controlador. Variable controlada.- Cantidad o condición que se mide y controla. Perturbación.- Es una señal que puede ser interna o externa y tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Proceso. Es el desarrollo natural de un acontecimiento, caracterizado por una serie de eventos o cambio graduales, progresivamente continuos y que tienden a un resultado final. Planta. Conjunto de piezas de una maquinaria que tienen por objetivo realizar cierta actividad en conjunto. En sistemas de control, por planta se entiende el sistema que se quiere controlar. 37 Ejercicio Sistema de control de la velocidad de un vehiculo 38 19
- 20. Ejercicio Sistema de control para una mesa giratoria que asegure que la velocidad real de rotación está dentro de un porcentaje especificado de la velocidad deseada Sistema sin realimentación 39 Sistema con realimentación 40 20
- 21. Conceptos Básicos Sistemas de control Sistemas de control lineal.- Estos sistemas cumplen con el principio de superposición. Este principio establece que la respuesta producida por la aplicación simultánea de “x” funciones de entradas diferentes es la suma de las “x” respuestas individuales. Sistemas de control no lineal.- Son los sistemas en los que no aplica el principio de superposición. Sistemas de control discreto.- Son aquellos en los que se desean implementar en un medio digital, para lo cual se necesita una descripción discreta de la planta. 41 Conceptos Básicos Técnicas de control Control óptimo.- La ley de control se desarrolla en base a la minimización de criterios. Por ejemplo se pueden usar criterios de energía, error, etc. Control adaptivo.- Cuando se desconocen parámetros de la planta, la ley de control se construye en base a esta incertidumbre, cumpliendo con los objetivos del control y además entregando una estimación de los parámetros desconocidos. Control inteligente.- Incluye técnicas como Redes Neuronales, Lógica Difusa, Algoritmos Genéticos, etc, o una combinación de estas. 42 21
- 22. Controladores Basados en Microprocesadores Los microcontroladores se utilizan en general para operaciones de control. Ofrecen la ventaja de que mediante su uso es factible emplear una gran variedad de programas. Una opción más adaptable es el controlador lógico programable. Se trata de un controlador basado en un µProcesador en el que se utiliza una memoria programable para guardar instrucciones e implantar funciones lógicas y secuenciales. 43 Controladores Basados en Microprocesadores 44 22