Tema1 Introduccion Al Control

8/17/2019 Tema1 Introduccion Al Control

1/61

D e p

a r t a m e n t o d e I n g e n i e r í a

d e S i s t e m a s y A u t o m á t i c a

Tema 1. Introducción al controlautomático.

Control y Automatización3er Curso del Grado en Ingeniería Química


2/61


3/61

D e p


d e S i s t e m a s y A u t

o m á t i c a

Contenido

Tema 1.- Introducción al control automático

1.1. Introducción1.2. Noción de control automático

1.3. Necesidad de realimentación

1.4. Conceptos y definiciones básicas

1.5. Nociones básicas sobre señales y sistemas1.6. Evolución histórica del control automático

1.7. Ejemplos de sistemas de control realimentados


4/61

D e p



o m á t i c a

Introducción

El control automático ha desempeñado una función vital en

el avance de la ingeniería y la ciencia

El control automático es esencial en el control numérico de

las máquinas herramienta de las industrias de manufac-

tura, diseño de sistemas de pilotos automáticos en laindustria aeroespacial, y diseño de automóviles en la

industria automotriz entre otros.

Los ingenieros y científicos deben tener un buenconocimiento de este campo.


5/61

D e p



o m á t i c a

Contenido





1.5. Nociones básicas sobre señales y sistemas1.6. Evolución histórica del control automático



6/61

D e p



o m á t i c a

Noción de control automático

El control automático se puede definir como la rama de

la ciencia que trata de sustituir en un proceso al operador humano por un dispositivo que permita realizar las tareas

de forma autónoma.

Un proceso o sistema se va a representar como una

“caja negra” sobre la que se aplican una serie de

entradas y de la que se obtienen una serie de salidas.

sistema ...

.

.

.

u1u2

um

y1 y2

yn


7/61 D e p a r t a m e n t o d e I n g e n i e r í a


o m á t i c a


Es necesario un conocimiento exhaustivo de las

relaciones existentes entre las acciones que se toman(entradas) y los resultados que producen dichas

acciones (salidas) para poder realizar un control

adecuado del sistema.

Necesidad del MODELO MATEMATICO.




o m á t i c a


Sistema

Modelo

Matemático

Sistema

Controlado

Ley de

Control

Análisis

Abstracción

Implantación

Fases del control automático




o m á t i c a

Contenido





1.5. Nociones básicas sobre señales y sistemas

1.6. Evolución histórica del control automático




d e

S i s t e m a s y A u t

o m á t i c a

Necesidad de realimentación

La necesidad de uso de la realimentación se debe a la

aparición de perturbaciones aleatorias que modifican elfuncionamiento del sistema respecto al previsto o a

imperfecciones del modelo que impide una predicción

exacta del funcionamiento del sistema.

Se puede definir el control realimentado a aquel que tiende

a mantener una relación preestablecida entre la salida y

alguna entrada de referencia, comparándolas y utilizando

la diferencia entre ambas como medio de control.



d e


o m á t i c a


En función de la existencia o no de realimentación se

habla de sistemas de control en bucle cerrado o abierto.

Controlador ProcesoEntrada Salida

Realimentación

Controlador ProcesoEntrada Salida

Bucle cerrado

Bucle abierto



d e


o m á t i c a


La comparación entre los sistemas de control de bucle

cerrado y de bucle abierto se puede realizar desdedistintos puntos de vista:

• Punto de vista de las perturbaciones: La realimentación

hace que la respuesta del sistema sea relativamenteinsensible a perturbaciones externas y a variaciones

internas de parámetros del sistema.


13/61 D e p a r t a m e n t o d e

I n g e n i e r í a

d e


o m á t i c a


• Punto de vista de la estabilidad: En sistemas sin

realimentación la estabilidad no es un problemaimportante. Mientras que en sistemas realimentados, la

tendencia a sobrecorregir los errores pueden producir

oscilaciones que conviertan en inestable el sistema a

controlar.

• Punto de vista del coste: Los componentes necesarios

para realizar el control en los sistemas con

realimentación encarecen el coste total del sistema.




d e


o m á t i c a


Controlador Σ

Sensor

PlantaActuador Error

Acción

de

control

Perturbación

SalidaReferencia

+

-

Elementos de un sistema de control realimentado




d e


o m á t i c a


Ejemplo: Control de la temperatura de una vivienda

Termostato ViviendaCaldera

Perdida

de calor

TemperaturaTemperatura

deseada


16/61

D e p a r t a m e n t o d e


d e


o m á t i c a


Comparación de los sistemas realimentados

• Sistemas de regulación automática: un sistema es de

regulación automática si la entrada de referencia es

constante o varía muy lentamente en el tiempo, la tarea

consiste en mantener la salida en el nivel deseado apesar de las perturbaciones.

• Servosistemas: en un servosistema la entrada es

variable y se pretende que la salida “siga” a la entrada.


17/61



d e

S i s t e m a s y A u t o m á t i c a

Contenido









18/61



d e


Conceptos y definiciones básicas

• Planta:

– El equipo físico que se desea controlar.

• Proceso:

– Conjunto de operaciones que se desean controlar.

• Sistema:

– Conjunto de elementos, físicos o abstractos, relacionados entre

si de forma que modificaciones o alteraciones en determinadas

magnitudes en uno de ellos puede influir en los demás.

• Sistema de control:

– Conjunto de dispositivos que permiten que un sistema funcione

de forma automática.


19/61



d e



• Perturbación:

– Señal de comportamiento no previsible que tiende a afectar adversamente el comportamiento del sistema.

• Realimentación:

– Operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida y la entrada de referencia.

• Control realimentado:

– El control realimentado se refiere a una operación que, enpresencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre

la salida de un sistema y alguna entrada de referencia y lo

continúa haciendo con base en esta diferencia.


20/61



d e



• Variable controlada:

– Cantidad que se mide y controla. Por lo general, la variablecontrolada es la salida del sistema.

• Variable manipulada:

– Cantidad que el controlador modifica para afectar el valor de la

variable controlada.

• Controlar:

– Consiste en medir el valor de la variable controlada del sistema

y aplicar la variable manipulada al sistema para corregir o limitar una desviación del valor medido a partir de un valor deseado.


21/61



d e



• Ejemplo:

Controlador

automático

Dispositivo

medidor de

temperatura

Agua

caliente

Drenaje

Agua

fría

Válvula

de control

Vapor


22/61



d e


Contenido






1.5.1. Introducción

1.5.2. Señales

1.5.3. Sistemas


1.7. Aplicaciones de sistemas de control


23/61



d e


Sistemas y señales (I)

• Introducción

– Los conceptos de señal y sistema aparecen en multitud deáreas de la ciencia y la técnica.

Las señales son funciones de una o más variables

independientes y contienen información acerca de la naturaleza

o comportamiento de algún fenómeno,

Los sistemas responden a señales particulares generando otrasseñales.


24/61



d e


Sistemas y señales (II)

• Señales

– Se representan matemáticamente como funciones de una o másvariables independientes:

– En estos ejemplos, y , representa la señal que es función de la

variable independiente t , n , x , y x1 , x2 respectivamente.

– La señal puede ser continua o discreta y, además, puede ser

cuantificada continua o discreta.

),()(

)(

)(

21 x xh y xg y

n f y

t f y

d

=

=

=

=


25/61

S ( )


26/61



d e


Sistemas y señales (III)

• Sistemas

– Un sistema de tiempo continuo es aquel en el que las señalesde entrada de tiempo continuo se transforman en señales de

salida de tiempo continuo:

– Un sistema de tiempo discreto es aquel en el que las señales de

entrada de tiempo discreto se transforman en señales de salida

de tiempo discreto:

x(t ) y(t )Sistema de

Tiempo Continuo

)()( t yt x R →

)()( n yn x R → x(n) y(n)

Sistema de

Tiempo Discreto

Si t ñ l (III)


27/61



d e



• Sistemas

– Un sistema es sin memoria si la salida para cada valor de lavariable independiente depende sólo de la entrada en ese

mismo instante. Ejemplo: sistemas definidos por ecuaciones

algebraicas o ecuaciones lógicas combinacionales.

– Un sistema es con memoria si la salida para cada valor de la

variable independiente depende de la entrada en ese mismo

instante e instantes anteriores. Ejemplo: Los sistemas

dinámicos, sistemas descritos por ecuaciones diferenciales oecuaciones en diferencias .

)()()(

)()(

21

2n xn xbn y

t axt y

=

=

∑∫−=∞−

==n

ni

i

t

i xan yd xC

t y10

)()(,)(1

)( τ τ

Si t ñ l (III)


28/61



d e



• Sistemas

– Un sistema es invariante en el tiempo si un desplazamiento entiempo de la señal de entrada causa un desplazamiento igual en

tiempo de la señal de salida.

– Se dice que un sistema es lineal si se le puede aplicar el

principio de superposición:

Sean y

si a y b son constantes, entonces:

))(()(

))(()(

00 t t x f t t y

t x f t y

−=−

=

Sistemas invariantes en el tiempo

))(()( n xnf n y = Sistema variante en el tiempo

)()(11

t yt x R → )()(

22

t yt x R →

)()()()( 2121 t byt ayt bxt ax R

+ → +

R

Si t ñ l (III)


29/61

D e

p a r t a m e n t o d e


d e



• Sistemas

– Un sistema es causal si la salida en cualquier instante dependeúnicamente de valores de la entrada presentes y pasados.

También se le denomina sistema no anticipativo.

– Un sistema es estable si ante pequeñas perturbaciones en la

entrada la salida no diverge.

Nota: este concepto puede ser definido desde varios criterios que se introducirán en temas y cursosposteriores. Así se habla de estabilidad de entrada-salida, estabilidad asintótica, estabilidad estructural,

etc.

)1()(2

1

)(

)()(

++=

=

t xt xt y

t axt y Causal

No Causal

Si t ñ l (III)


30/61

D e



d e



• Sistemas

– Se dice que un sistema es invertible si al observar su salidapodemos determinar su entrada:

)()(2

1)(

)(2)(

t xt yt z

t xt y

==

=

x(t ) y(t) z(t )=x(t )

Sistema

)(2)( t xt y =

Sistema Inverso

)(2

1)( t yt z =

C t id


31/61

D e



d e


Contenido








E l ió hi tó i d l t l t áti


32/61

D e



d e


• Antecedentes del control

– 400 a.C. Platón. Reloj despertador. – Siglo III a.C. Ktesibios. Reloj de agua con regulador de flotador.

– Siglo II a.C. Arquímedes de Siracusa. Clepsydras.

– Siglo II a.C. Filón de Bizancio. Lámpara de aceite con regulación

automática de nivel.

Reloj de agua (Ktesibios)Reloj despertador

(Platón)

Evolución histórica del control automático

Lámpara de aceite

(Filón de Bizancio)



33/61

D e



d e


• Antecedentes del control

– Herón de Alejandría. Dispensador automático de vino controladopor un flotador; dispensador automático de vino controlado por

un peso; regulación por sifón flotante de nivel (siglo I)

– Al-Jazari. Reloj con regulación por flotador.(siglo XII)

– Al-Sa'ati. Reloj.(siglo XIII)

“ La copa de vino inagotable”

(Herón)Odómetro

(Herón)




34/61

D e



d e


• Primeros avances en control

– El primer trabajo significativo en control automático fue elregulador de velocidad centrifugo de James Watt para el control

de la velocidad de una máquina de vapor (siglo XVIII)


Máquina de Vapor con regulador de Watt

Regulador de Watt

(detalle)

E ol ción histórica del control a tomático


35/61

D e



d e


• Primeros avances en control

– Thomas Mead patenta un regulador que aseguraba que lapresión ejercida entre las piedras del molino fuera proporcional

a la velocidad de rotación (siglo XVIII).

Regulador de Mead para

Molinos de Viento

Molino de viento del siglo XIX

(totalmente Automatizado)




36/61

D e



d e



• Avances en control en el siglo XX

– Hasta bien entrado el siglo XX la única herramienta analíticapara determinar la posición de las raíces de la ecuación

característica era la utilización de las ecuaciones diferenciales

ordinarias junto con criterios algebraicos. Aplicando el criterio de

Routh y Hurwitz se podía determinar la estabilidad o no de los

sistemas.

– Desde el punto de vista teórico, la Ingeniería de Control se

empieza a consolidar cuando se produce el traslado y aplicación

de los conocimientos adquiridos en los problemas de

amplificación de señales a los problemas de control industrial.

– Estos estudios desembocan en la llamada Teoría Clásica de

Control, en la cual se utilizaban como herramientas matemáticas

los métodos de transformación de Laplace y Fourier y la

descripción externa de los sistemas.



37/61

D e



d e




– En 1922, Minorsky trabajó en los controladores automáticospara dirigir embarcaciones, y mostró que la estabilidad puede

determinarse a partir de las ecuaciones diferenciales que

describen el sistema.

– En 1932, Nyquist diseñó un procedimiento relativamente simplepara determinar la estabilidad de sistemas en bucle cerrado, con

base en la respuesta en bucle abierto

– En 1934, Hazen, quien introdujo el término “servomecanismo”

para los sistemas de control de posición, analizó el diseño delos servomecanismos con relés.

– En 1940, Bode presenta la definición de margen de fase y

margen de ganancia y la definición de los diagramas

logarítmicos.



38/61

D e



d e




– En 1942 Ziegler y Nichols, hicieron un estudio importante quecondujo a fórmulas empíricas para sintonizar un regulador PID

al proceso.

– A finales de los años cuarenta y principios de los cincuenta, se

desarrolló por completo el método del lugar geométrico de lasraíces propuesto por Evans.

– Desde el final de la década de los cincuenta, el énfasis en los

problemas de diseño de control se ha hecho en diseño de

sistemas óptimos.



39/61

D e



d e

S i s t e m a s y A u

t o m á t i c a



– En 1954 Sazer introduce la transformada Z, la cual permite quelos resultados obtenidos en el estudio de los sistemas continuos

se puedan aplicar a los sistemas discretizados en el tiempo.

Esto hace que se desarrollen los estudios que pretenden

trasladar al campo discreto los resultados obtenidos para el

campo continuo.

– EN 1958, Jury enuncia su criterio de estabilidad, los de

Ragazzini y Franklin también en 1958 con idéntico título al de

Jury, y Tou define y establece la teoría clásica de los sistemas

muestreados.



40/61

D e



d e


t o m á t i c a



– De 1960 a 1980, se investigaron a fondo el control óptimo tantode sistemas determinísticos como estocásticos, y el control

adaptativo, mediante el aprendizaje de sistemas complejos

– Actualmente, los computadores con sus elevadas prestaciones,

forman parte integral de los sistemas de control.

– Las aplicaciones recientes de la teoría de control moderna

incluyen sistemas ajenos a la ingeniería, como los biológicos,

biomédicos, económicos y socioeconómicos.

Contenido


41/61

D e



d e


t o m á t i c a

Contenido








Aplicaciones de sistemas de control


42/61

D e



d e


t o m á t i c a


Aplicaciones

– Ingeniería Eléctrica

– Ingeniería Química

– CIM (Computer Integrated Manufacturing)

– Ingeniería Mecatrónica.

– Ingeniería Aeronáutica

– Ingeniería Naval

– Ingeniería Biomédica



43/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Eléctrica

Regulador PID Industrial




44/61

D e



d e


t o m á t i c a


Transmisión de Energía




45/61

D e



d e


t o m á t i c a


Generación de Energía




46/61

D e



d e


t o m á t i c a


Generación de Energía




47/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Química


Simplified diagram of a kraft paper machine

Thick stock

dilution valve

Thick stockflow valve Beta ray

gauge

Moisturemeter

White water

Fabrica de Papel



48/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Química



Thick stock

dilution valve


gauge

Moisturemeter

White water

Depuración de Aguas Residuales



49/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Mecatrónica



Thick stock

dilution valve


gauge

Moisture

meter

White water

DC-motor

Photo diodes Radial arm

Optical Pick-upUnit

Lector de Disco



50/61

D e



d e


t o m á t i c a


Sistema de Suspension




51/61

D e



d e


t o m á t i c a


Cadena de Montaje




52/61

D e



d e


t o m á t i c a


Robot Agricola




53/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Mecatronica

Robot Helipuerto




54/61

D e



d e


t o m á t i c a


• CIM

EJE X

MOTOR+REDUCTORA

ENCODER ABSOLUTO SSITRANSMISIÓN

Máquina de Control Numérico



55/61

D e



d e


t o m á t i c a


• CIM

Sistema de Almacenamiento Automático



56/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Aeronáutica

Control de Vuelo de Aeronave




57/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Aeronáutica

Control de Vuelo de Helicoptero




58/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Naval

Control de Navegación de Embarcación




59/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Naval

Control de Navegación de Submarino




60/61

D e



d e


t o m á t i c a

• Ingeniería Biomédica

Cirugia Laparoscópica

p cac o es de s ste as de co t o



61/61




t o m á t i c a

• Ingeniería Biomédica

Control de Circulación

Extracorpórea

p

Documents

Tema1 Introduccion Al Control