Introducción al Control Automático
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El documento aborda la introducción a los sistemas de control, diferenciando entre control en lazo abierto y cerrado, así como sus variables de entrada, salida y perturbaciones. Se incluyen ejemplos ilustrativos y las etapas para llevar a cabo el diseño y la implementación de un sistema de control. Además, se discuten las ventajas y desventajas de ambos tipos de control y la importancia de los elementos involucrados en su funcionamiento.
Introducción al Control Automático
- 1. TEMA 1. Introducción a TEMA 1. Introducción a los sistemas de control los sistemas de control OBJETIVOS CONTENIDOS • Reconocer en un sistema las variables de entrada, de – Definiciones básicas salida y de perturbación. – Sistemas de control en lazo abierto y lazo • Distinguir un sistema de control en lazo abierto y en lazo cerrado. cerrado. • Reconocer en un sistema de control, lazo abierto o – Tipos de control cerrado, las variables de entrada, salida y – Ejemplos ilustrativos de sistemas de control. perturbación. • Sistema de control de presión • Reconocer las tareas que se realizan en un sistema de • Sistema de control de velocidad control, y los elementos que lo integran. • Servosistema (sincros) • Distinguir el control automático del manual. • Sistema de control de temperatura (control por • Enumerar las ventajas y desventajas del control ordenador) automático frente al control manual. • Sistema de control de temperatura en la cabina de • Enumerar las ventajas y desventajas del control en un coche (control prealimentado) lazo abierto frente al control en lazo cerrado. • Control de la posición del brazo del robot • Clasificar los sistemas de control. • Control de la fuerza de agarre de la mano del • Explicar el funcionamiento de sistemas de control robot sencillos. • Dado un sistema sencillo proponer algún sistema de – Etapas en la realización de un sistema de control para él. control • Saber que etapas deben seguirse en la realización de un sistema de control.
- 2. Definiciones básicas Ejemplos de sistema Sistema: es la combinación de componentes Motor DC que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. Variables de entrada Variables de salida Perturbaciones Tensión de armadura Velocidad de giro del eje Externa: par de carga Posición del eje Interna: temperatura dentro del motor ¿Intensidad de armadura? Variable de entrada: es una variable del sistema tal que una modificación de su magnitud o condición puede alterar el estado del sistema. Una habitación en la que se dispone de un calentador Variable de salida: es una variable del sistema eléctrico que se puede encender o apagar, de un cuya magnitud o condición se mide. termómetro para medir la temperatura y de una puerta que puede estar abierta o cerrada Perturbación: es una señal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema. Si la Variables de entrada Variables de salida Perturbaciones perturbación se genera dentro del sistema se la Interruptor del Temperatura en la Externas: calentador eléctrico habitación • Temperatura del exterior de la denomina interna, mientras que una perturbación habitación externa se genera fuera del sistema y constituye • Estado de la puerta Interna: actividad de las personas una entrada. dentro de la habitación
- 3. Sistemas de control en lazo Sistemas de control abierto y en lazo cerrado • Definición • Ejemplos de sistemas con control: – Sistema de control es el conjunto de – Motor DC controlado por armadura dispositivos que actúan juntos para lograr • Objetivo: velocidad o posición deseadas un objetivo de control • Variables de control: voltaje o intensidad de armadura • Perturbaciones: par de carga perturbación – Cualquier planta de proceso continuo tiene muchos sistemas de control Objetivo de SISTEMA entrada salida • Control de nivel en depósitos DE SISTEMA • Control de flujo en tuberías control CONTROL – Cuerpo humano: • A nivel microscópico: planta industrial y red de transporte con numerosos sistemas de control • A nivel macroscópico: control de la temperatura corporal – Sistema económico mundial • ¿Objetivo?, ¿Variables de control?, ¿Perturbaciones? • Clasificación: Lazo abierto o cerrado
- 4. Sistemas de control en lazo abierto Sistemas de control en lazo abierto – El control en lazo abierto suele aparecer en dispositivos con control secuencial, en el • Aquellos en los que la variable de salida que no hay una regulación de variables sino (variable controlada) no tiene efecto sobre que se realizan una serie de operaciones de la acción de control (variable de control). una manera determinada. Esa secuencia de • Características operaciones puede venir impuesta por eventos (event-driven) o por tiempo (time- – No se compara la salida del sistema con el valor driven). Se programa utilizando PLCs deseado de la salida del sistema (referencia). (controladores de lógica programable) – Para cada entrada de referencia le corresponde – Ejemplos: una condición de operación fijada. • Lavadora: – La exactitud de la salida del sistema depende de – Funciona sobre una base de tiempos la calibración del controlador. – Variable de salida “limpieza de la ropa” no afecta – En presencia de perturbaciones estos sistemas al funcionamiento de la lavadora. de control no cumplen su función • Semáforos de una ciudad – Funcionan sobre una base de tiempo adecuadamente. – Variable de salida “estado del tráfico” no afecta la • Ejemplo: funcionamiento del sistema. – Control en lazo abierto por tensión de armadura de un motor DC de excitación independiente.
- 5. Sistemas de control en Sistemas de control en lazo cerrado lazo cerrado • Definición: control retrolimentado – Operación que en presencia de • Definición: sistema de control en lazo cerrado perturbaciones tiende a reducir la – Aquellos en los que la señal de salida del diferencia entre la salida de un sistema y sistema (variable controlada) tiene efecto alguna entrada de referencia. Esta directo sobre la acción de control (variable reducción se logra manipulando alguna de control). 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.
- 6. • Ej: Reloj de agua – Probablemente el primer sistema de retro- Sistemas de control en lazo cerrado alimentación creado por el hombre. • Clasificación – Inventado por Ctesibios de Alejandria (Egipto, – Manuales: controlador operador humano aprox. 260 a.c.) – Automático: controlador dispositivo • Neumático, hidráulico, eléctrico, electrónico o digital (microprocesador)
- 7. • Conversión de manual a automático – Reemplazar el operario por un controlador • Ejemplo automático en el que se pueda fijar la señal de – Control de temperatura de un referencia. intercambiador de calor usando vapor como – Acoplar un transductor (elemento que medio calefactor 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 de referencia. – Reemplazar la válvula de vapor manual por una automática y conectar la salida del controlador a la entrada de control de la válvula de regulación.
- 8. • Elementos de un lazo de control – Sistema a controlar – Controlador • Ventaja del control en lazo – Actuador (puede incluirse en el sistema cerrado frente al control en a controlar) lazo abierto: – Medidor: sensor + transductor – Respuesta del sistema se hace relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de los parámetros del sistema • Funciones de un lazo de control – Medir el valor de la variable controlada (medida y transmisión). – Detectar el error y generar una acción de control (decisión). – Usar la acción de control para manipular alguna variable en el proceso de modo que tienda a reducir el error (manipulación)
- 9. • Desventaja del control en lazo cerrado: Tipos de control – Aparece el problema de la estabilidad, ya que si el controlador no está bien • Realimentación de la salida: ajustado puede tener tendencia a – Lazo abierto y lazo cerrado sobrecorregir errores, que pueden llegar • Comportamiento de la señal de referencia. a producir en la salida del sistema – Sistemas seguidores oscilaciones de amplitud creciente • La entrada de referencia cambia de valor llegando a inestabilzar el sistema. frecuentemente – Ejemplo: servomecanismos (sistemas de control realimentado en el cual la salida es alguna posición, velocidad o aceleración mecánica). – Ejemplo de servomecanismo: posicionamiento de los cañones de una batería de tiro antiaérea. – Sistemas de regulación automática • La entrada de referencia es o bien constante o bien varía lentamente con el tiempo, y donde la tarea fundamental consiste en mantener la salida en el valor deseado a pesar de las perturbaciones presentes. – Ejemplos: el sistema de calefacción de una casa, un regulador de voltaje, un regulador de presión de suministro de agua a una comunidad de vecinos
- 10. Tipos de control Tipos de control • Tipo de señal • En función de la industria – Analógicos (continuos) – Control de procesos – Digitales (discretos) • Los sistemas de control de procesos son aquellos 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: refinería de petróleo, planta de producción de energía eléctrica, papelera … – Control de máquinas manufactureras • Control Numérico – Usa un programa para controlar la secuencia de operaciones una máquina, dicho programa contiene instrucciones que especifican posiciones, direcciones, velocidades y velocidad de corte. • Control de robots – Un manipulador programable diseñado para mover materiales, herramientas en una secuencia determinada para realizar una tarea específica.
- 11. Regulador centrífugo de Watt para el Ejemplos de sistemas de control control de velocidad de una máquina de Control de presión vapor que fue diseñado en el siglo XVIII ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas? ¿Diagrama de bloques?
- 12. Si ω < referencia Sistemas Sincro (servosistema) ¡Los sincros son generadores AC Entra más combustible y, asíncronos! por consiguiente, aumenta la velocidad de giro Si ω > referencia V1 V2 Entra menos combustible y, El voltaje de salida del sincro transformador (V2) es igual al por consiguiente, disminuye voltaje de alimentación al sincro transmisor (V1), pero la velocidad de giro desfasado un ángulo θ igual a la diferencia de los ángulos girados por el rodillo maestro y el esclavo. ¿Es un sistema seguidor o de regulación automática? ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, control, de entrada (referencia) y las perturbaciones de entrada (referencia) y las perturbaciones externas? externas? ¿Diagrama de bloques?
- 13. Sistema de control de temperatura por ordenador Sistema de control de temperatura de la cabina de un vehículo. Control digital Control feedforward o prealimentado ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, de entrada (referencia) y las perturbaciones control, de entrada (referencia) y las perturbaciones externas? externas?
- 14. Control de la posición de un brazo de un robot Control de la fuerza de agarre de la mano de 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 ¿Cuáles son las variables de salida (controlada), de control, control, de entrada (referencia) y las perturbaciones de entrada (referencia) y las perturbaciones externas? externas?
- 15. Etapas en la realización • Seleccionar, diseñar y sintonizar los reguladores seleccionados. de un sistema de control – La correcta ejecución de este paso es función de haber establecido antes los • Análisis del sistema que se quiere criterios de control. controlar ⇒objetivos de control • Rechazo de perturbaciones • ¿Qué se quiere regular? Variables de • Errores estacionarios referencia. • Respuesta dinámica ante cambios en la • ¿Qué hay que medir? Variables de referencia salida. • Sensibilidad a cambios de parámetros del sistema • ¿Qué se puede manipular? Variables de control. – Un correcto diseño de los reguladores puede requerir el disponer de un modelo • ¿Perturbaciones? lineal del proceso a controlar. Así una • ¿Situaciones peligrosas? etapa previa es el desarrollo de un modelo • ¿Procedimientos de arranque y parada? matemático adecuado para los fines de • Establecer la estructura de control. regulación. • Evaluar el diseño del sistema de – Especificar que variables se van a control, utilizando técnicas de realimentar y que variables se van a simulación dinámica. manipular para lograr los objetivos de • Realización práctica y puesta a punto control del sistema de control diseñado.