capitulo 1 introduccion

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Maestría en Ingeniería de Control Industrial con énfasis en Modelización y Control de Procesos Biotecnológicos

Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.

Capítulo 1: Introducción 1

Capítulo 1:

Introducción

Ingeniería de Control – Control de Procesos

Ejemplos

Objetivos

Conceptos: retroalimentación

Open-loop & closed-loop

Diseño de la estrategia

Historia

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TEORIA DE CONTROL I

ESTABILIDAD

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Ingeniería de Control / Control Engineering

Control de Procesos / Process Control

Automatización / Automation

Un Sistema de Control esta compuesto por la interconección de sub-sistemas /

componentes (proceso, controlador, compensador, actuador, transductor, sensor, ...)

que juntos se encargan de que el comportamiento del sistema sea el deseado, esto es

una salida de proceso controlada/deseada.

Cada uno de estos subsistemas de componentes representan una relación “entrada-

salida” (input-output; causa-efecto). La salida de un subsistema puede ser la entrada

para otro subsistema.

En general un sistema de control está formado por:

- una (o más) entradas independientes (variables manipuladas)

- una (o más) salidas resultantes (variables controladas).

ProcesoInput Output

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S p i nd l e H ea d s l i d e r

D is k

R o ta ti o n

o f a r m

A r m

T ra c k a

T r a ck b

A c t u a to r

m o to r

S e nso r

Ac tual

hea d

posi tion

E rror C ontro l

d evice

Desi red

hea d

posi tion

Actuator

motor

Read

arm

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Adjustable wing

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• Instrumentación:

– // 0,2-1 bar (3-15 psi)

– /// 4-20 mA (también ----)

• Primera Letra ID:

– A: análisis

– F: flow (Flujo)

– L: level (nivel)

– P: pressure (presión)

– T: temperatura

• Siguiente Letra ID:

– C: controller

– I: indicator

– R: recorder

– T: transducer (sensor)

– V: valve (válvula)

– Y: Converter (Convertidor)

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• Robots usados para el acceso a

sitios dificiles (ambientes

contaminados, aplicaciones

espaciales, intervenciones

quirúrgicas, …).

• Robots industriales para

automatizar líneas de

producción, a fin de incrementar

la productividad y la calidad.

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• Ej. diabetes

TAMBIEN:

• temperatura corporal

• latido cardiáco (adrenalina)

• presión sanguínea, …...

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La ingeniería de Control NO ES específica para una determinada disciplina de ingeniería!

• Al contrario, la Ingeniería de Control es clave en la electrónica, industria química, instrumentación, telecomunicaciones, tecnología de computadores, ciencia de los materiales, electrotecnia, aeronáutica/navegación espacial/navegación marítima, …

• Hoy por hoy incluso en autos, hogares, …

Automatic Control is a “miracle” technology that is used to improve the

performance of a tremendous range of technological systems, from the

steam engine to the space station.

Today, feedback control is used by everyone: in radios (amplifiers), CD

players (speed control, laser tracking), automobiles (servo-steering,

cruise-control, engines, suspensions, ABS), flight control (autopilots),

spacecraft (guidance), machine tools, robots, power plants, chemical

process industry, materials processing.

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Comportamiento DINAMICO

• Movimiento de un ascensor desde pisos superiores hasta el primer piso

• La salida de un sistema dinámico en un determinado momento no es

solo función de la entrada al sistema en ese momento sino también de

la situación en el pasado (memoria del sistema)

• Ejemplo: posición del acelerador velocidad del carro

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Objetivos de un Sistema de Control

• Setpoint following / Seguimiento del SetPoint

• Disturbance rejection / Rechazo a Perturbaciones

• Remote control / Control remoto o a distancia

Objetivos del Curso

• Aprendizaje de técnicas a fin de analizar el comportamiento dinámico

de un sistema, tanto cualitativa como cuantitativamente. (parte 1)

• Aprendizaje de técnicas a fin de estar en capacidad de efectuar el diseño

de sistemas de control con características deseadas/especificaciones

(parte 2)Especificaciones

• Un comportamiento absolutamente estable

• Una respuesta transiente deseada (transient response)

• Un error permanente aceptable (steady-state error)

• Una robustez conveniente (parameter sensitivity)

• Una relación precio/calidad interesante (cost/performance)

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OPEN LOOP vs CLOSED LOOP (1)

• Un sistema de control en Open-Loop utiliza un dispositivo actuador para

controlar el proceso directamente sin usar feedback.

Battery Speed

dc motordc

amplifier

Speed

setting

Desired

speed

(voltage)

Amplifierdc

motorTurntable

Actual

speed

(a)

(b)

Control device Actua tor P rocess

Turntable

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OPEN LOOP vs CLOSED LOOP (2)

• En closed-loop la salida se retroalimenta (feedback) y se compara con el

Setpoint ( reference, command)

• Hay tanto retroalimentación negativa como positiva (casi siempre negativa)

Battery Speed

dc motordc

amplifier

Speed

set ting

Amplifierdc

motorTurntable

Actual

speed

(a)

(b)

Control device Actuator

Sensor

Desired

speed

(voltage)

Process

Turntable

Error

Measured speed

(voltage)

Tachometer

Tachometer

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FEEDBACK y PERTURBACIONES

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ESTRATEGIA DE DISEÑO (Top-Down)

1. Defina el sistema físico y los objetivos

2. Elabore un Diagrama de Bloques funcional

3. Determine Variables de Control y Especificaciones

4. Especifique actuadores, sensores, convertidores, ...

6. Diseñe el Controlador y sus parámetros

5. Identifique un Modelo de cada subsistema

7. Pruebe el comportamiento frente a especificaciones

OK!!MALO!!

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HISTORIA (1)

• Grecia 300 BC: reloj de agua de Ktesibios (regulador de nivel!)

• Cornelis Drebbel (Holanda 1572-1633): control de temperatura

• James Watt (Inglaterra, 1769): control de velocidad máquina de vapor; preámbulo a la 1ra revolución industrial (mecanización)

• Antes de 1868: intuición y creatividad; “trial-and-error ”; problemas con comportamiento estable de controladores en retroalimentación

• James Maxwell (1868): primeros (matemáticos) conceptos de teoría de control para estabilidad de regulación de velocidad –máquina de vapor

• Edward Routh (1874): origen del criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz (1905)

• Nicholas Minorsky (Rusland): principio del control PI (“bread-and-butter” del control industrial contemporáneo); aplicaciones en estabilidad de conducción de naves (alrededor de 1920)

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RELOJ DE AGUA DE KTESIBIOS- DESCRIPCION -

El peluquero Ktesibios!!!!!

Por lo visto no era constante!

Suministro de agua

H

Q2

V2

V1

Escala con

distribucion

de hora

1

6

12

Aguja

El flotador V2 es lineal con el tiempo y con la escala

El flotador V2 aumenta lineal

con el tiempo si el suministro

de agua Q2 (l/s) es constante!!

La corriente de agua en

El cuarto de ayuda H

Dentro del cual flota un

Flotador V1

Debe mantenerse Q2

Constante!?

De ahí que la condición

De equilibrio debe ser:

Q1 = Q2

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RELOJ DE KTESIBIOS- TRABAJO DE ESTABILIZACION -

Suministro

HQ1

Q2

V1

WX

W es la altura deseada

X es la altura real Si el suministro baja entonces baja el

Flotador V1. El nivel disminuye hasta X

Asi que hay que abrir el suministro tal que

Q1 aumente otra vez y la altura real X

Vaya a W.

A medida que crece el

suministro, el flotador sube

y X es mayor que W, entonces

se cierra el suministro hasta

que X vaya a W.

1. Sistema de medición: el flotador

V1 mide la altura regulada X.

2. Organo de corrección y regulación:

El flotador V1 controla el suministro Q1.

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Reloj de agua de Ktesibios

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EL CONTROL DE NIVEL DE HERON

Desague

Q2

a b

AM

L

w x

B

V

Q1

K

La válvula K deja pasar agua al tanque B.

El objeto es mantener W constante, tal que con la

disminución del agua la presión también es cte.

La idea era mantener el caudal

Q1 igual al caudal Q2. El suministro

tras la Válvula es igual al desague Q2.

Los factores para que la altura X pueda cambiar son:

•El nivel del tanque de almacenamiento A.

•El desague Q2

El control de nivel trabaja asi:

1. Tenemos un aumento del desague Q2

2. Luego baja la altura hasta el valor X

3. El flotador V mide la disminución de la altura

4. El brazo ao de la palanca baja, asi que el brazo ob sube

5. A causa de esto la válvula K otra vez abre y Q1 aumenta

6. X aumenta otra vez hasta regresar al valor W.

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Flyball governor

(James Watt - 1769)

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HISTORIA (2)

• Antes de WOII: Bode, Nyquist, Black (USA, Bell Telephone Labs); Dominio-

frecuencial planteamineto del diseño de amplificadores (feedback amplifier;

OpAmp)

• WOII: desarrollo intensivo – teoría y práctica – en automatización (métodos de

dominio en frecuencia; Bode, Nyquist); aplicaciones militares: piloto automático

para aeronaves, sistemas de posicionamiento de cañones y toda clase de

proyectiles, antenas de radar, sistemas de comunicación, etc.

• Después (años 1950) vienen aplicaciones “civiles” (servosistemas, control de

procesos, comunicaciones, mecanización, robotización…); “la ingeniería de

control “ nace como una disciplina científica

• Walter Evans (USA, 1948, indiustria aeronáutica): Método de Root Locus

• MIT, 1952: concepto de máquinas de NC (Numerical Control)

• USA, 1960: primer robot industrial (Unimate)

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HISTORIA (3)

• Años 1960 a 1970: intensos desarrollos en el dominio del tiempo métodos de impulso en la industria aeronáutica: dominio en espacio de estado/state-space (Kalman),control no-lineal (Lyapunov, estudiante de Chebyshev - St. Petersburg 1892),control optimal (Pontryagin/SU, Bellman/USA); poca respuesta en la industria

• Años 1970 a 1980: sistemas de control adaptivos (Åström, SE) aplicados con éxito en la industria como PID “auto-tuners”

• Años 1980 a 1990: estrategias de control de predicción (Richalet/FR, Cutler/USA, De Keyser/BE, Clarke/UK); momentaneamente en expansión por las aplicaciones industriales

• Años 1990: inteligencia artificial (fuzzy control, neural control, …): fuzzy control (Japan) con uso en „productos para consumo‟ (lavadoras, cámaras, …) y en control de procesos (industria del cemento, química, …)

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ICT: Information & Communication Technology

• Años 1980 a 1990: uso intensivo en la industria de técnicas digitales para

la implementación de controladores en software: micro-computers y

microcontrollers (mecatrónica), DDC (Direct Digital Control en control de

procesos), redes industriales para comunicaciones, sistemas de control para

supervisión, …

• El „controller‟ (regulador,controlador, compensador), originalmente

neumático, luego electrónico, hasta implementado como un „instrumento

virtual‟: como software en un computador..

• En la actualidad el uso del computador en técnicas de control:

– off-line: durante la fase de diseño (CACSD: Computer Assisted Control

Systems Design) con software de diseño duro (Ej. MatLab® en este curso)

– on-line: durante el trabajo normal, como controlador (software) digital

(sistemas de control digital)

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Redescubra el Pasado

• Dibuje esquema de bloques para control de velocidad de crucero (regulación de velocidad de su auto)

• Dibuje esquema de bloques para el funcionamiento del radiador-termostato de su cuarto.

• Una resistencia variable (potenciómetro) da una tensión proporcional a la posición del cursor (principio del divisor de tensión). El potenciómetro es de mucho uso, por ej. Para la regulación del volumen y otros controles en aparatos de audio. También se usa como transmisor para definir el ángulo de posición de un eje que gira. El modelo de este „sensor de desplazamiento‟ se da en el esquema de bloques adjunto. Calcule K si se requieren 10 rotaciones del eje para llevar el cursor de A hasta C.

KVo (volt)i (rad)

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Bibliografía

• Nise. Control Systems Engineering (3rd edition).

John Wiley & Sons, Inc. (2000), p. 1-36

• Dorf and Bishop. Modern Control Systems (8th edition).

Addison-Wesley-Longman, Inc. (1998), p. 1-31

• Marlin. Process Control.

McGraw-Hill, Inc. (1995), p. 1-46

capitulo 1 introduccion

Education

automatic control

control es clave en

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control est formado

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