t1 introduccion
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TEMA 1
Introducción a la Automatización y el
Control.
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1. INTRODUCCIÓN• ¿Qué es un Sistema de Control Automático?• La Realimentación • Terminología, Definiciones, Nomenclatura • Ejemplos• Estructura de un Sistema de Control Automático• Requerimientos Mínimos Necesarios.• Metodología de Diseño de Sistemas de Control
Automático
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Conceptos Sistema
conjunto de elementos interactuando y en donde se manifiesta una relación causa-efecto, acción-reacción, (entrada – salida).
.•Terminología: Planta, Proceso y Sistema son
equivalentes
Sistema de Control Automático
Sistema que reemplaza al factor humano en la realización de tareas peligrosas, repetitivas, monótonas, que requieren especial atención…
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Tipos de Sistemas de Control Automático
1. Caso lazo abierto (open loop): sistemas no realimentados.
2. Caso lazo cerrado (closed loop): sistemas realimentados.
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Control Automático en Lazo Abierto
La salida no tiene efecto sobre la entrada (acción de excitación). NO se mide, NO se realimenta para modificar la entrada.
Control ProcesoEntrada Salida
A cada entrada le corresponde una condición de trabajo fija. Sólo se puede usar el control en lazo abierto si la relación entre la
entrada y la salida es conocida y si no hay perturbaciones.
En Ingeniería de Sistemas NO son considerados como sistemas automáticos los sistemas en lazo abierto
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Valor deseado
Control Automático en Lazo Cerrado La acción (excitación al sistema) depende de la
reacción (respuesta) en cada instante del sistema
La respuesta se compara con el valor deseado y la diferencia entre ambas (error) se utiliza para actuar sobre el proceso con el fin de reducir el error y llevar la respuesta al valor deseado.
Valor deseado Equipo de
controlSistema,Proceso
respuesta del sistema
PerturbacionesVariable
manipulada
Lazo cerradoclosed loop
Incluye realimentación feedback
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acción reacción
Definiciones
Variable manipulada: estímulo aplicado al proceso por el equipo de control con el fin de lograr que la variable controlada alcance el valor deseado.
Variable controlada: respuesta obtenida del sistema controlado Perturbación: 1. Señal aditiva NO deseada que tiende a afectar el valor de la salida del sistema2. Cualquier causa que hace que la variable controlada se desvíe de su objetivo
Sistema,Proceso
Variable controlada
Perturbación
Variable manipulada
Sistema SISO: una entrada, una salida
Variables controladasVariables manipuladas
Sistema MIMO: varias entradas, varias salidas
Perturbaciones
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Sistema,Proceso
Notación Seguida en el Curso
Planta,Proceso,Sistema
Equipo deControl
Referencia w Valor deseadoConsignaSP (Set Point)
w
Variable manipulada u Señal de controlEntrada al procesoMV (Manipulated variable)OP (Output to Process)
Variable controlada ySalida del procesoCV (Controled Variable)PV (Process Variable)
Perturbaciones dDV (Deviation Variables)
u yd
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Ejemplo: Sistema de Calefacción Doméstico
TT
Sensor/transmisor de temperatura
caldera
Pérdida de calor (perturbación)
válvulacaudal combustible
Controlador
TCreferencia
señal de control
Medida Cálculo Acción
Temperatura habitación Thab (Tref – Thab) > 0 Abrir válvula(Tref – Thab) < 0 Cerrar válvula
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Objetivo: Mantener constante la temperatura de una casa (21ºC, época invernal)
Ejemplo: Precalentador de Tubos Objetivo: calentar un producto (de densidad conocida y caudal fijo), que llega con una temperatura Ti hasta una temperatura de salida deseada T utilizando la energía procedente de aceite térmico que llega al precalentador a través de una válvula de paso.
producto frío14ºC
Ti, FProducto caliente
85ºC
T
Aceite témico T<180ºC(Retorno a caldera)
Aceite térmicoT=180ºC
TT
TC
Temperatura deseada
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Temperatura real
controladorválvula
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C
Proceso
Sensor Controlador
Actuador
Ejemplo: Depósito Objetivo 1: Mantener constante el nivel (el valor lo define el usuario. Porcentaje sobre máximo posible).
Objetivo 2: Mantener constante el caudal de salida (el valor lo define el usuario. Porcentaje sobre máximo posible).
50% max
hf
S
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Ejemplo: Sistema de Posicionamiento Electro Mecánico
Detalle motores de giro mesa superior e inferior
Sistema automático corte de jamones deshuesados
Robot de descargaMesa giratoria
Ejemplo: Sistema de Posicionamiento Electro Mecánico
Mesa inferior giratoria
Motor giro mesa inferior
Sensor de posición de la mesa inferior
Reductora
posición
Equipo de control
Alim
enta
ción
m
otor
Red eléctrica
Posición deseada mesa (grados)
Objetivo: colocar la mesa en la posición requerida por robot de descarga para almacenar trozo sobrante del jamón..
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Sistema de Control AutomáticoComponentes
Planta,Proceso, Sistema
Variablesa controlar
Equipo de Control
Valores Deseados
Actuadores
Sensores Valores medidos
Variables para excitar alsistema
1. Equipo de Control: Al menos debe leer los valores deseados, los reales del sistema bajo control, y con ellos calcular los valores de las variables a aplicar al Sistema según el objetivo fijado.
2. Actuadores: aplican energía al sistema según los cálculos del equipo de control3. Sensores: Miden las variables controladas.
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REQUISITOS GENERALES DE UN SISTEMA DE CONTROL
AUTOMATICOI. Estabilidad: Salida acotada a entrada acotada
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II. Seguimiento de la referenciaDinámica: forma de la respuesta
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REQUISITOS GENERALES DE UN SISTEMA DE CONTROL
AUTOMATICO
Metodología para Diseño de Sistemas de Control Automáticos
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1. Conocimiento profundo del Sistema y su funcionamiento,2. Establecimiento de los objetivos,3. Selección de las Variables de interés: Entradas, Salidas,4. Selección de los Sensores y Actuadores necesarios,5. Modelado del conjunto Sistema, Sensores, Actuadores,6. Validación del Modelo,7. Análisis del comportamiento vía Simulación numérica,8. Cálculo de los modelos de los “controladores” 9. Análisis del comportamiento,10. Rediseño si procede (vuelta a 6).11. Implementación y puesta en marcha.
Metodología para Diseño de Sistemas de Control Automáticos
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1. Conocimiento profundo del Sistema y su funcionamiento,2. Establecimiento de los objetivos,3. Selección de las Variables de interés: Entradas, Salidas,4. Selección de los Sensores y Actuadores necesarios,5. Modelado del conjunto Sistema, Sensores, Actuadores,6. Validación del Modelo,7. Análisis del comportamiento vía Simulación numérica,8. Cálculo de los modelos de los “controladores” 9. Análisis del comportamiento,10. Rediseño si procede (vuelta a 6).11. Implementación y puesta en marcha.
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