Control Automático de Procesos - 1ra Edición - Carlos A. Smith & Armando B. Corripio

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  • Categora x Administracin x Algebra x Anlisis Matemtico x Anatoma x Arquitectura x Arte x Artculos x Astronoma x Atlas x AudioLibros x Automatizacin x Base de Datos x Biblia x Biologa x Bioqumica x Clculo x Circuitos x Ciruga x Cocina x Comic x Computer Hoy x Contabilidad x De Todo x Derecho x Dermatologa x Diarios x Diccionario x Diseo Grafico x Diseo Web x Documentales x Dummies x E-Books x Ecografa x Ecologa x Economa x Ecuaciones

    diferenciales x Educacin Primaria x Ejemplos x Electricidad x Electrnica

    x Enciclopedia x Estadstica x Filosofa x Fsica x Fisiologa x Ganar dinero en

    internet x Geologa x Geometra x Ginecologa y

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    Calor x Transferencia de

    Masa x Tutorial x TuxInfo x VideoTutoriales x Windows x zoologa

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    -fil-

    A Y PRCTICA

    CARLOS A. SMITH

  • CONTROL

    EDITORIAI

  • CONTROL AUTOMTlCO DEPROCESOSTEORA Y PRCTICA

    Carlos A. SmithUniversity of South Florida

    Armando B. CorripioLouisiana State University

    Versin espaiiola:

    SERGIO D. MANZANARES BASURTOIngeniero en Comunicaciones y Electrnica

    de la Escuela Superior de Ingeniera

    Mecnica y Electrnica del InstitutoPolitcnico Nacional de Mxico

    Revisin:

    CARLOS A. SMITHARMANDO B. CORRIIIO

    EDITORIAL LIMUSAMXICO ESPAA V E N E Z U E L A ARGENTINA

    COLOMBIA PUERTO RICO

  • Versin autorizada en

    espaol de la obra

    publicada en ingls por

    John Wiley & Sons, Inc.

    con el ttulo:

    PRINCIPLES AND PRACTICE OF

    AUTOMATIC PROCESS CONTROL

    0 John Wiley & Sons, Inc.

    ISBN 0-47 1-88346-8

    Elaboracin: SISTEMAS EDITORIALES TCNICOS, S.A. de C. V.

    presentacin y disposicin en conjunto deCONTROL AUTOMTICO DE PROCESOS

    Teora y prcticason propiedad del editor. Ninguna parte de esta obrapuede ser reproducida transmitida, mediante ningn sistema

    mtodo, electrnico mecnico (INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO, grabacin cualquier sistema de recuperacin y almacenamiento

    de informacin), sin consentimiento por del editor.

    Derechos reservados:

    @ 1991, EDITORIAL LIMUSA, S.A. de C.V.Balderas 95, Primer piso, 06040 Mxico, D.F.Telfono 52 1-50-98Fax 5 12-29-03Tlex 1762410 ELIME

    Miembro de la Cmara Nacional de laIndustria Editorial Mexicana. Registro nmero 12 1

    Primera edicin: 1991Impreso en Mxico(5942)

    ISBN 968-18-3791-6

  • Con todo cario a

    los Smith:

    Cristina, Cristina M.,Carlos A., Jr. ySr. Ren Smith y Sra.

    los Corripio:

    Connie, Bernie, Mary, Michael yConsuelo

    y a nuestra querida tierra natal, Cuba

  • Prlogo

    El propsito principal de este libro es mostrar la prctica del control automtico de proce-so, junto con los principios fundamentales de la teora del control. Con este fin se incluyeen la exposicin una buena cantidad de anlisis de casos, problemas y ejemplos tomadosdirectamente de la experiencia de los autores como practicantes y como consultores enel rea. En opinin de los autores, a pesar de que existen muchos libros buenos en losque se tratan los principios y la teora del control automtico de proceso, en la mayorade ellos no se proporciona al lector la prctica de dichos principios.

    Los apuntes a partir de los cuales se elabor este libro se han utilizado durante variosaos en los cursos finales de ingeniera qumica y mecnica en la University of South Flo-rida y en la Louisiana State University. Asimismo los autores han utilizado muchas partesdel libro para impartir cursos cortos a ingenieros en ejercicio activo en los Estados Uni-dos y en otros pases.

    El inters se centra en el proceso industrial y lo pueden utilizar los estudiantes delnivel superior de ingeniera, principalmente en las ramas de qumica, mecnica, metalur-gia, petrleo e ingeniera ambiental; asimismo, lo puede utilizar el personal tcnico deprocesos industriales. Los autores estn convencidos de que, para controlar un proceso,el ingeniero debe entenderlo primero; a ello se debe que todo el libro se apoye en losprincipios del balance de materia y energa, el flujo de lquidos, la transferencia de calor,los procesos de separacin y la cintica de la reaccin para explicar la respuesta dinmicadel proceso. La mayora de los estudiantes de los grados superiores de ingeniera tienenlas bases necesarias para entender los conceptos al nivel que se presentan. El nivel de lasmatemticas que se requieren se cubre en los primeros semestres de ingeniera, principal-mente el calculo operacional y las ecuaciones diferenciales.

    En os captulos 1 y 2 se definen los t&minos y los conceptos matemticos que seutilizan en el estudio de los sistemas de control de proceso. En los captulos 3 y 4 se expli-can los principios de la respuesta dinmica del proceso. En estos captulos se utilizan nu-

    7

  • 8 PRLOGO

    merosos ejemplos para demostrar el desarrollo de modelos de proceso simples y para ilustrarel significado fsico de los parmetros con que se describe el comportamiento dinmicodel proceso.

    En el captulo 5 se estudian algunos componentes importantes del sistema de control;a saber: sensores, transmisores, vlvulas de control y controladores por retroalimenta-cin. Los principios de operacin prctica de algunos sensores, transmisores y vlvulasde control comunes se presentan en el apndice C, cuyo estudio se recomienda a los estu-diantes que se interesen en conocer el funcionamiento de los instrumentos de proceso.

    En los captulos 6 y 7 se estudian el diseo y anlisis de los sistemas de control porretroalimentacin. El resto de las tcnicas importantes del control industrial se tratan enel captulo 8; stas son: control de razn, control en cascada, control por accin precalcu-lada, control por sobreposicin, control selectivo y control multivariable. Se usan nume-rosos ejemplos para ilustrar la aplicacin industrial de dichas tcnicas.

    Los principios de los modelos matemticos y la simulacin por computadora de losprocesos y sus sistemas de control se presentan en el captulo 9. En este captulo se pre-senta una estructura modular de programa muy til, la cual se puede utilizar para ilustrarlos principios de respuesta dinmica, estabilidad y ajuste de los sistemas de control.

    De acuerdo con la experiencia de los autores, en un curso de un semestre se debenincluir los primeros seis captulos del libro, hasta la seccin 6-3, as como la seccin acer-ca de control por accin precalculada del captulo 8; posteriormente, segn la disponibili-dad de tiempo y las preferencias del instructor, se, pueden incluir las secciones sobre relsde cmputo, control de razn, control en cascada, lugar de raz y respuesta en frecuencia,las cuales son independientes entre s. Si en el curso se incluye un laboratorio, el materialdel captulo 5 y del apndice C es un excelente apoyo para los experimentos de laboratorio.Los ejemplos del captulo 9 se pueden usar como gua para experimentos de simulacinpor computadora que complementarn a los experimentos reales de laboratorio.

    Si se dispone de dos semestres o cuatro trimestres para el curso es posible cubrir todoel texto en detalle. En el curso se debe incluir un proyecto final en el cual se pueden utili-zar los problemas de control de proceso del apndice B, que son problemas industrialesreales yproporcionan al estudiante la oportnidad de disear desde el principio, el siste-ma de control para un proceso. Los autores estamos convencidos de que dichos problemasson una contribucin importante de este libro.

    En la presente obra se prefiri el uso exclusivo del mtodo de funcin de transferen-cia en lugar del de variable de estado, por tres razones: pri)ilera, consideramos que esms factible hacer comprender los conceptos del control de proceso mediante las funcio-nes de. transferencia; segunda, no tenemos conocimiento de algn plan de control cuyodiseo se basa en el mtodo de variable de estado y que actualmente se utilice en la indus-tria; finalmente, el mtodo de variable de estado requiere una base matemtica ms slidaque las funciones de transferencia.

    En una obra de este tipo son muchas las personas que contribuyen, apoyan y ayudana los autores de diferentes maneras; nuestro caso no fue la excepcin y nos sentimos ben-decidos por haber tenido a estas personas a nuestro alrededor. En el camp industrial am-bos autores deseamos agradecer a Charles E. Jones de la Dow Chemica USA, LouisianaDivision, por fomentar nuestro inters en la prctica industrial del control de proceso y

  • PRLOGO 9

    por alentarnos a buscar una preparacin acadmica superior. En el campo acadmico, en-contramos en nuestras universidades la atmsfera necesaria para completar este proyecto;deseamos agradecer al profesorado y al alumnado de nuestros departamentos por despertaren nosotros un profundo inters en la instruccin acadmica, as como por las satisfaccio-nes que hemos recibido de ella. Ser el instrumento para la preparacin y desarrollo delas mentes jvenes en verdad es una labor muy gratificante.

    El apoyo de nuestros alumnos de posgrado y de licenciatura (las mentes jvenes) hasido invaluable, especialmente de Tom M. Brookins, Vanessa Austin, Sterling L. Jordan,Dave Foster, Hank Brittain, Ralph Stagner, Karen Klingman, Jake Martin, Dick Balhoff,Terrell Touchstone, John Usher, Shao-yu Lin y A. (Jefe) Rovira. En la University of SouthFlorida, Carlos A. Smith desea agradecer al doctor L. A. Scott su amistad y su consejo,que han sido de gran ayuda durante estos ltimos diez aos. Tambin agradece al doctorJ. C. Busot su pregunta constante: iCundo van a terminar ese libro?, la cual realmen-te fue de ayuda, ya que proporcion el mpetu necesario para continuar. En la LouisianaState University, Armando B. Corripio desea agradecer a los doctores Paul W. Murrilly Cecil L. Smith su intervencin cuando l se inici en el control automtico de proceso;no solo le ensearon la teora, sino tambin inculcaron en l su amor por la materia yla enseanza de la misma.

    Para terminar, los autores deseamos agradecer al grupo de secretarias de ambas uni-versidades por el esmero, la eficiencia y la paciencia que tuvieron al mecanografiar elmanuscrito. Nuestro agradecimiento para Phyllis Johnson y Lynn Federspeil de la USF,as como para Janet Easley, Janice Howell y Jimmie K,eebler de la LSU.

    Carlos A. SmithTampa, Florida

    Armando B CorripioBaton Rouge, Louisiana

  • Contenido

    Captulo 1l - l1-2

    1-31-41-5

    1-61-71-8

    Introduccin

    El sistema de control de procesosTrminos importantes y objetivo del control automticode procesoControl regulador y servocontrolSeales de transmisinEstrategias de control

    Control por retroalimentacinControl por accin precalculada

    Razones principales para el control de procesoBases necesarias para el control de procesoResumen

    Captulo 2 Matemticas necesarias para el anlisis de lossistemas de control

    2-1 Transformada de LaplaceDefinicinPropiedades de la transformada de Laplace

    2-2 Solucin de ecuaciones diferenciales mediante el usode la transformada de Laplace

    Procedimiento de solucin por la transformada de LaplaceInversin de la transformada de Laplace mediante

    expansin de fracciones parcialesEigenvalores y estabilidadRaces de los polinomiosResumen del mtodo de la transformada de Laplace

    para resolver ecuaciones diferenciales

    1717

    202021212123252526

    27

    272731

    4142

    445959

    64

    l l

  • 12 CONTENIDO

    2-3

    2-4

    2-5

    Linealizacin y variables de desviacin 65Variables de desviacin 66Linealizacin de funciones con una variable 67Linealizacin de funciones con dos o ms variables 71

    Repaso del lgebra de nmeros complejos 76Nmeros complejos 76Operaciones con nmeros complejos 78

    Resumen 81Bibliografa 82Problemas 82

    Captulo 3

    3-13-23-3

    3-43-53-63-1

    Sistemas dinmicos de primer orden

    Proceso trmicoProceso de un gasFunciones de transferencia y diagramas de bloques

    Funciones de transferenciaDiagramas de bloques

    Tiempo muertoNivel en un procesoReactor qumicoRespuesta del proceso de primer orden a diferentes tiposde funciones de forzamiento

    Funcin escalnFuncin rampa

    91

    92101104104105114116121

    3-8Funcin senoidal

    ResumenProblemas

    126126127128129131

    Captulo 44-14-24-34-4

    . -;B

    Sistemas dinmicos de orden superior 139

    Tanques en serie-sistema no interactivo 139Tanques en serie-sistema interactivo 147Proceso trmico 152

    4-5

    Respuesta de los sistemas de orden superior a diferentes tiposde funciones de forzamiento

    Funcin escalnFuncin senoidal

    ResumenBibliografaProblemas

    160161167169170170

    Captulo 5 Componentes bsicos de los sistemas de control

    5-1 Sensores y transmisores5-2 Vlvulas de control

    177

    177180180Funcionamiento de la vlvula de control

  • C O N T E N I D O 1 3

    Dimensionamiento de la vlvula de controlSeleccin de la cada de presin de diseoCaractersticas de flujo de la vlvula de controlGanancia de la vlvula de controlResumen de la vlvula de control

    5-3 Controladores por retroalimentacinFuncionamiento de los controladoresTipos de controladores por retroalimentacinReajuste excesivoResumen del controlador por retroalimentacin

    5-4 ResumenBibliografaProblemas

    181186190196198198201203216219219219220

    Captulo 6 Diseo de sistemas de control por retroalimentacincon un solo circuito 225

    6-1 Circuito de control por retroalimentacin 226Funcin de transferencia de circuito cerrado 229Ecuacin caracterstica del circuito 230Respuesta de circuito cerrado en estado estacionario 238

    6-2 Estabilidad del circuito de control 251Criterio de estabilidad 252Prueba de Routh 253Efecto de los parmetros del circuito sobre

    la ganancia ltimaMtodo de substitucin directaEfecto del tiempo muerto

    6-3 Ajuste de los controladores por retroalimentacinRespuesta de razn de asentamiento de un cuarto

    mediante el mtodo de ganancia ltimaCaracterizacin del procesoPrueba del proceso de escalnRespuesta de razn de asentamiento de un cuartoAjuste mediante los criterios de error de integracin mnimoAjuste de controladores por muestreo de datosResumen

    257259263265

    6-4 Sntesis de los controladores por retroalimentacinDesarrollo de la frmula de sntesis del controladorEspecificacin de la respuesta de circuito cerradoModos del controlador y parmetros de ajusteModo derivativo para procesos con tiempo muertoResumen

    6-5 Prevencin del reajuste excesivo6-6 Resumen

    266270272283285294296297297298299304311311316

  • 1 4...