UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

SISTEMAS DE CONTROL

Alumno: De la cruz Bustamante Edgar Alexander

Carrera: Ingeniería Química

Ciclo: IX

Profesor del Curso: Ing. Henry Esquerre

Sección: “B “

Trujillo – Perú

2014

SISTEMAS DE CONTROL

Un sistema de control automático es una interconexión de elementos que forman una configuración denominada sistema, de tal manera que el arreglo resultante es capaz de controlar se por sí mismo.

Todo proceso industrial es controlado básicamente por tres tipos de elementos el transmisor (medidor o sensor) (TT), el controlador (TIC o TRC) y la válvula o elemento final de control

Un sistema o componente del sistema susceptible de ser controlado, al cual se le aplica una señal r (t) a manera de entrada para obtener una respuesta o salida y (t), puede representarse mediante bloques.

g (t) r (t) y (t)

Donde:

r(t) : entrada g(t) : sistema y(t) : salida

La salida del sistema se debe a la interacción de la entrada con el proceso

El vínculo entrada-salida es una relación de causa y efecto con el sistema, por lo que el proceso por controlar (también denominado planta) relaciona la salida con la entrada.

Las entradas típicas aplicadas a los sistemas de control son: escalón, rampa e impulso.

La entrada escalón indica un comportamiento o una referencia constantes introducidos al sistema La entrada rampa supone una referencia con variación continua en el tiempo. La entrada impulso se caracteriza por ser una señal de prueba con magnitud muy grande y

duración muy corta.

La función respuesta impulso o función de transferencia es la representación matemática del sistema.

Básicamente, el problema de control consiste en seleccionar y ajustar un conjunto específico de elementos tal que, al interconectarse, el sistema resultante deberá comportarse de una manera específica.

Todo proceso industrial es controlado básicamente por tres tipos de elementos el transmisor (medidor o sensor) (TT), el controlador (TIC o TRC) y la válvula o elemento final de control.

TIPOS DE CONTROL

A) control neumáticoB) control electrónicoC) control retroalimentado ("feedback")

Sistema o Proceso

Control neumático

Ejemplo: Un intercambiador de calor

Donde el fluido de calefacción (vapor) calienta un producto de entrada hasta una temperatura de salida que es transmitida por TT y controlada e indicada por TIC (o controlada y registrada por TRC) a través de una válvula de control V.

Esta deja pasar el vapor de calefacción suficiente para mantener la temperatura del fluido caliente en un valor deseado o punto de consigna que es prefijado (valor de referencia o "set point") en el controlador TIC o TRC.

La combinación de los componentes transmisor-controlador-válvula de control-proceso, que actúan conjuntamente, recibe el nombre de sistema y cumple el objetivo de mantener una temperatura constante en el fluido caliente de salida del intercambiador.

Sus objetivos de cada uno son:

Transmisor convierte los valores de la temperatura a señales neumáticas o electrónicas. El controlador mantiene la señal de entrada constante para cada punto de consigna o valor

deseado fijado por el operador, mediante la variación de la señal de salida a la válvula de control.

La válvula de control convierte la señal de entrada neumática o electrónica a posición de su vástago y, por tanto, gobierna el caudal de vapor con que alimenta el serpentín del intercambiador de calor.

El proceso cumple el objetivo de calentar el fluido de salida, mediante el vapor de entrada, y lo hace a través de un serpentín, del que se elimina continuamente el condensado con un purgador.

Nótese que en cada uno de los sistemas anteriores se ha considerado una entrada y una salida; por ejemplo, en el caso de la válvula de control, la entrada es la señal procedente del controlador y la salida es el caudal de vapor al serpentín; y en el caso del proceso, la entrada es el caudal de vapor que pasa a través de la válvula y la salida es la temperatura del fluido caliente en la fig.1.

Control electrónico

Estos sistemas se representan mediante un rectángulo llamado bloque, la variable o variables de entrada constituidas por flechas que entran en el rectángulo, y la variable o variables de salida representadas por flechas que salen del rectángulo.

De este modo, el sistema de la fig.2 quedaría representado según se ve en la Fig. 3 denominado diagrama de bloques.

Fig.2: Diagrama flujo del Proceso del Intercambiador de calor

Fig.3 : Diagrama de Bloques del Proceso del Intercambiador de calor

La señal (perturbaciones) en el bloque del proceso se refiere a las variables que -aparte del caudal de vapor de agua- pueden afectar el proceso.

Por ejemplo:

El mal funcionamiento del purgador de vapor, las variaciones de caudal o de temperatura del fluido de entrada, los cambios de temperatura exteriores al intercambiador, el posible recubrimiento con el tiempo de la pared del serpentín que está en contacto con el fluido con la consiguiente alteración en la transmisión del calor de condensación del vapor, las variaciones de presión del vapor producidas por el consumo variable de vapor en los sistemas próximos al considerado, o por otras causas, etc.

En estos aparatos, la magnitud de entrada se fija en un valor constante (que es el valor de referencia o punto de consigna del controlador) o en un valor variable con el tiempo según una ley programada (se trata entonces de controladores programadores).

Control retroalimentado ("feedback")

Es una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia, realizándolo sobre la base de esta diferencia.

Se denomina sistema de control retroalimentado a aquel que tiende a mantener una relación preestablecida entre la salida y alguna entrada de referencia, comparándolas y utilizando la diferencia como medio de control.

Es una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia, realizándolo sobre la base de esta diferencia.

Por ejemplo el control de temperatura del tanque mezclador de la Fig. Siguiente:

Midiendo la temperatura de salida del tanque y comparándola con la temperatura de referencia (temperatura deseada), la válvula de entrada de vapor regula el flujo de éste aumentando o disminuyendo para mantener la temperatura de la corriente de salida en el valor deseado.

Servosistemas

El servosistema (o servomecanismo) es un sistema de control retroalimentado en el que la salida es algún elemento mecánico, sea posición, velocidad o aceleración. Por tanto, los términos servosistema o sistema de control de posición, o de velocidad o de aceleración, son sinónimos.

Por ejemplo: con el uso de servosistemas e instrucción programada se puede lograr la operación totalmente automática de máquinas herramientas.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

Los sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abierto (o no automático) y sistemas de lazo cerrado (retroalimentados o automáticos). Para llevar a cabo dicha clasificación, se hace la siguiente definición:

Acción de control: Es la cantidad dosificada de energía que afecta al sistema para producir la salida o la respuesta deseada.

Sistemas de control en lazo abierto

Es aquel sistema en el cual la acción de control es, en cierto modo, independiente de la salida

Este tipo de sistemas por lo general utiliza un regulador o actuador con la finalidad de obtener la respuesta deseada.

Los sistemas en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, se denominan sistemas de control de lazo abierto ("open loop").

• Características

– No se compara la salida del sistema con el valor deseado de la salida del sistema (referencia).– Para cada entrada de referencia le corresponde una condición de operación fijada.– La exactitud de la salida del sistema depende de la calibración del controlador.– En presencia de perturbaciones estos sistemas de control no cumplen su función adecuadamente.

Un ejemplo práctico lo constituye una lavadora de ropa doméstica donde el remojo, lavado y enjuague en la lavadora se cumplen por tiempos, la máquina no mide la señal de salida, es decir, la limpieza de la ropa.

El

control de alimentación directa se está utilizando de una manera muy generalizada; sobre todo en el control por computadora.

Los cambios en las variables de entrada al proceso se miden y compensan sin esperar a que un cambio en la variable controlada indique que ha ocurrido una alteración en las variables.

El control de alimentación directa es muy útil también en casos en que la variable controlada no se puede medir.

Otro Ejemplo: Sistema de lazo abierto para controlar el tueste de un pan, el proceso a controlar.

La capacidad que tales sistemas tienen para ejecutar una acción con exactitud depende de su calibración. En general, los sistemas de lazo abierto están regulados por base de tiempo.

Como ejemplo de dichos sistemas se citan los tostadores de pan, las lavadoras automáticas, los hornos de microondas y los semáforos convencionales.

Sistema de control de lazo cerrado: ("closed loop")

El término lazo cerrado implica el uso de la acción de control retroalimentado para reducir el error del sistema.

En la práctica, se utiliza indistintamente la denominación control retroalimentado ("feedback") o control de lazo cerrado ("closed loop").

La señal de error actuante, que es la diferencia entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir el error y llevar la salida a un valor deseado.

Esta retroalimentación se logra a través de la acción de un operador (control manual) o por medio de instrumentos (control automático).

Si el operador mide previamente la temperatura de salida y si es inferior al valor deseado, aumenta la circulación de vapor abriendo levemente la válvula.

Cuando se trata de control automático, se emplea un dispositivo sensible a la temperatura para producir una señal (eléctrica o neumática) proporcional a la temperatura medida.

Esta señal se alimenta a un controlador que la compara con un valor deseado preestablecido o punto de ajuste ("set point"). Si existe una diferencia, el controlador cambia la abertura de la válvula de control de vapor para corregir la temperatura.

Ejemplo:

Otro Ejemplo: Control de nivel mediante solenoide.

Para el sistema de control de nivel que utiliza un solenoide, habrá que obtener la representación en bloques del sistema, según se muestra en la fig.

Solución:

El nivel de referencia se establece por medio de la varilla que sujeta al flotador en un extremo y, por el otro, a un contacto metálico que actúa como interruptor eléctrico.

De esta manera, cuando el nivel es lo suficientemente bajo, el interruptor cierra el circuito, lo que ocasiona que el solenoide se active; entonces, la válvula se abre y permite el paso del flujo de entrada para restablecer el nivel deseado.

El diagrama de bloques resultante se muestra así:

ELEMENTOS DE UN LAZO DE CONTROL

– Sistema a controlar– Controlador– Actuador (puede incluirse en el sistema a controlar)– Medidor: sensor + transductor

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)

VENTAJA DEL CONTROL EN LAZO CERRADO FRENTE AL CONTROL EN LAZO ABIERTO:

– Respuesta del sistema se hace relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de los parámetros del sistema.

DESVENTAJA DEL CONTROL EN LAZO CERRADO:

– Aparece el problema de la estabilidad, ya que si el controlador no está bien ajustado puede tener tendencia a sobre corregir errores, que pueden llegar a producir en la salida del sistema oscilaciones de amplitud creciente llegando a inestabilzar el sistema.

Tipos de control

Realimentación de la salida:

– Lazo abierto y lazo cerrado

Comportamiento de la señal de referencia.

a) Sistemas seguidores

La entrada de referencia cambia de valor frecuentemente

Ejemplo 01: servomecanismos (sistemas de control realimentado en el cual la salida es alguna posición, velocidad o aceleración mecánica).

Ejemplo 02: de servomecanismo: posicionamiento de los cañones de una batería de tiro antiaérea.

b) 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.

Ejemplo: el sistema de calefacción de una casa, un regulador de voltaje, un regulador de presión de suministro de agua a una comunidad de vecinos

En función de la industria

a) Control de procesos

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.

b) 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.

Tipo de señal

a) Analógicos (continuos)b) Digitales (discretos)

Ejemplos de Sistemas de Control

a) Control de Presion de un Horno

b) Regulador centrifugo de Watt para control de Velocidad de una Maquina de vapor que fue diseñado en el siglo XVIII