Control Automático de Procesos(Corripio)

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<p>_ _ , _ . ,_,__. _, ,_. . _ _</p> <p>__..</p> <p>.~</p> <p>j</p> <p>-</p> <p>_</p> <p>4 . _,r.</p> <p>-fil-</p> <p>A Y PRCTICA</p> <p>CARLOS A. SMITH</p> <p>CONTROL AUTOMTlCODEPROCESOSTEORA Y PRCTICACarlos A. Smith University of South Florida Armando B. Corripio Louisiana State University</p> <p>Versin espaiiola:</p> <p>SERGIO D. MANZANARES BASURTO Ingeniero en Comunicaciones y Electrnica de la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Electrnica del Instituto Politcnico Nacional de Mxico Revisin: CARLOS A. SMITH ARMANDO B. CORRIIIO</p> <p>EDITORIALMXICOl</p> <p>LIMUSAESPAA l COLOMBIAl</p> <p>VENEZUELA PUERTO RICO</p> <p>l</p> <p>ARGENTINA</p> <p>Versin autorizada en espaol de la obra publicada en ingls por John Wiley &amp; Sons, con el ttulo: PRINCIPLES AND PRACTICE OF AUTOMATIC PROCESS CONTROL 0 John Wiley &amp; Sons, Inc. ISBN 0-47 1-88346-8 Inc.</p> <p>Elaboracin: SISTEMAS EDITORIALES TCNICOS, S.A. de C. V. La presentacin y disposicin en conjunto de CONTROL AUTOMTICO DE PROCESOS Teora y prctica son propiedad del editor. Ninguna parte de esta obra puede ser reproducida o transmitida, mediante ningn sistema o mtodo, electrnico o mecnico (INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO, ki grabacin o cualquier sistema de recuperacin y almacenamiento de informacin), sin consentimiento por escnto del editor. Derechos reservados: @ 1991, EDITORIAL LIMUSA, S.A. de C.V. Balderas 95, Primer piso, 06040 Mxico, D.F. Telfono 52 1-50-98 Fax 5 12-29-03 Tlex 1762410 ELIME Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Registro nmero 12 1</p> <p>Primera edicin: 1991Impreso en Mxico</p> <p>(5942)</p> <p>ISBN 968-18-3791-6</p> <p>Con todo cario a los Smith: Cristina, Cristina M., Carlos A., Jr. y Sr. Ren Smith y Sra. los Corripio: Connie, Bernie, Mary, Consuelo Michael y</p> <p>y a nuestra querida tierra natal, Cuba</p> <p>Prlogo</p> <p>El propsito principal de este libro es mostrar la prctica del control automtico de proceso, junto con los principios fundamentales de la teora del control. Con este fin se incluye en la exposicin una buena cantidad de anlisis de casos, problemas y ejemplos tomados directamente de la experiencia de los autores como practicantes y como consultores en el rea. En opinin de los autores, a pesar de que existen muchos libros buenos en los que se tratan los principios y la teora del control automtico de proceso, en la mayora de 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 varios aos en los cursos finales de ingeniera qumica y mecnica en la University of South Florida y en la Louisiana State University. Asimismo los autores han utilizado muchas partes del libro para impartir cursos cortos a ingenieros en ejercicio activo en los Estados Unidos y en otros pases. El inters se centra en el proceso industrial y lo pueden utilizar los estudiantes del nivel superior de ingeniera, principalmente en las ramas de qumica, mecnica, metalurgia, petrleo e ingeniera ambiental; asimismo, lo puede utilizar el personal tcnico de procesos 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 los principios 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 dinmica del proceso. La mayora de los estudiantes de los grados superiores de ingeniera tienen las bases necesarias para entender los conceptos al nivel que se presentan. El nivel de las matemticas que se requieren se cubre en los primeros semestres de ingeniera, principalmente el calculo operacional y las ecuaciones diferenciales. En os captulos 1 y 2 se definen los t&amp;minos y los conceptos matemticos que se utilizan en el estudio de los sistemas de control de proceso. En los captulos 3 y 4 se explican los principios de la respuesta dinmica del proceso. En estos captulos se utilizan nu7</p> <p>8</p> <p>PRLOGO</p> <p>merosos ejemplos para demostrar el desarrollo de modelos de proceso simples y para ilustrar el significado fsico de los parmetros con que se describe el comportamiento dinmico del proceso. En el captulo 5 se estudian algunos componentes importantes del sistema de control; a saber: sensores, transmisores, vlvulas de control y controladores por retroalimentacin. Los principios de operacin prctica de algunos sensores, transmisores y vlvulas de control comunes se presentan en el apndice C, cuyo estudio se recomienda a los estudiantes 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 por retroalimentacin. El resto de las tcnicas importantes del control industrial se tratan en el captulo 8; stas son: control de razn, control en cascada, control por accin precalculada, control por sobreposicin, control selectivo y control multivariable. Se usan numerosos ejemplos para ilustrar la aplicacin industrial de dichas tcnicas. Los principios de los modelos matemticos y la simulacin por computadora de los procesos y sus sistemas de control se presentan en el captulo 9. En este captulo se presenta una estructura modular de programa muy til, la cual se puede utilizar para ilustrar los 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 deben incluir los primeros seis captulos del libro, hasta la seccin 6-3, as como la seccin acerca de control por accin precalculada del captulo 8; posteriormente, segn la disponibilidad de tiempo y las preferencias del instructor, se, pueden incluir las secciones sobre rels de 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 material del 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 simulacin por computadora que complementarn a los experimentos reales de laboratorio. Si se dispone de dos semestres o cuatro trimestres para el curso es posible cubrir todo el texto en detalle. En el curso se debe incluir un proyecto final en el cual se pueden utilizar los problemas de control de proceso del apndice B, que son problemas industriales reales yproporcionan al estudiante la oportnidad de disear desde el principio, el sistema de control para un proceso. Los autores estamos convencidos de que dichos problemas son una contribucin importante de este libro. En la presente obra se prefiri el uso exclusivo del mtodo de funcin de transferencia en lugar del de variable de estado, por tres razones: pri)ilera, consideramos que es ms factible hacer comprender los conceptos del control de proceso mediante las funciones de. transferencia; segunda, no tenemos conocimiento de algn plan de control cuyo diseo se basa en el mtodo de variable de estado y que actualmente se utilice en la industria; finalmente, el mtodo de variable de estado requiere una base matemtica ms slida que las funciones de transferencia. En una obra de este tipo son muchas las personas que contribuyen, apoyan y ayudan a los autores de diferentes maneras; nuestro caso no fue la excepcin y nos sentimos bendecidos por haber tenido a estas personas a nuestro alrededor. En el camp industrial ambos autores deseamos agradecer a Charles E. Jones de la Dow Chemica USA, Louisiana Division, por fomentar nuestro inters en la prctica industrial del control de proceso y</p> <p>PRLOGO</p> <p>9</p> <p>por alentarnos a buscar una preparacin acadmica superior. En el campo acadmico, encontramos en nuestras universidades la atmsfera necesaria para completar este proyecto; deseamos agradecer al profesorado y al alumnado de nuestros departamentos por despertar en nosotros un profundo inters en la instruccin acadmica, as como por las satisfacciones que hemos recibido de ella. Ser el instrumento para la preparacin y desarrollo de las mentes jvenes en verdad es una labor muy gratificante. El apoyo de nuestros alumnos de posgrado y de licenciatura (las mentes jvenes) ha sido 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 South Florida, 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 doctor J. C. Busot su pregunta constante: iCundo van a terminar ese libro?, la cual realmente fue de ayuda, ya que proporcion el mpetu necesario para continuar. En la Louisiana State University, Armando B. Corripio desea agradecer a los doctores Paul W. Murrill y 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 y la enseanza de la misma. Para terminar, los autores deseamos agradecer al grupo de secretarias de ambas universidades por el esmero, la eficiencia y la paciencia que tuvieron al mecanografiar el manuscrito. 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. Smith Tampa, Florida Armando B Corripio Baton Rouge, Louisiana</p> <p>Contenido</p> <p>Captulo 1 Introduccinl - l El sistema de control de procesos 1-2 Trminos importantes y objetivo del control automtico de proceso 1-3 Control regulador y servocontrol 1-4 Seales de transmisin 1-5 Estrategias de control Control por retroalimentacin Control por accin precalculada 1-6 Razones principales para el control de proceso 1-7 Bases necesarias para el control de proceso 1-8 Resumen</p> <p>1717 20 20 21 21 21 23 25 25 26 27 27 27 31 41 42 44 59 59 64</p> <p>Captulo 2 Matemticas necesarias para el anlisis de los sistemas de control2-1 Transformada de Laplace Definicin Propiedades de la transformada de Laplace 2-2 Solucin de ecuaciones diferenciales mediante el uso de la transformada de Laplace Procedimiento de solucin por la transformada de Laplace Inversin de la transformada de Laplace mediante expansin de fracciones parciales Eigenvalores y estabilidad Races de los polinomios Resumen del mtodo de la transformada de Laplace para resolver ecuaciones diferencialesll</p> <p>12</p> <p>CONTENIDO</p> <p>2-3</p> <p>Linealizacin y variables de desviacin Variables de desviacin Linealizacin de funciones con una variable Linealizacin de funciones con dos o ms variables 2-4 Repaso del lgebra de nmeros complejos Nmeros complejos Operaciones con nmeros complejos 2-5 Resumen Bibliografa Problemas</p> <p>65 66 67 71 76 76 78 81 82 82 91 92 101 104 104 105 114 116 121 126 126 127 128 129 131 139 139 147 152 160 161 167 169 170 170 177 177 180 180</p> <p>Captulo 3 Sistemas dinmicos de primer orden 3-1 Proceso trmico 3-2 Proceso de un gas 3-3 Funciones de transferencia y diagramas de bloques Funciones de transferencia Diagramas de bloques 3-4 Tiempo muerto 3-5 Nivel en un proceso 3-6 Reactor qumico 3-1 Respuesta del proceso de primer orden a diferentes tipos de funciones de forzamiento Funcin escaln Funcin rampa Funcin senoidal 3-8 Resumen Problemas Captulo 4 4-1 4-2 4-3 4-4 . -;B Sistemas dinmicos de orden superior Tanques en serie-sistema no interactivo Tanques en serie-sistema interactivo Proceso trmico Respuesta de los sistemas de orden superior a diferentes tipos de funciones de forzamiento Funcin escaln Funcin senoidal 4-5 Resumen Bibliografa Problemas Componentes bsicos de los sistemas de control Sensores y transmisores Vlvulas de control Funcionamiento de la vlvula de control</p> <p>Captulo 5 5-1 5-2</p> <p>CONTENIDO</p> <p>13</p> <p>Dimensionamiento de la vlvula de control Seleccin de la cada de presin de diseo Caractersticas de flujo de la vlvula de control Ganancia de la vlvula de control Resumen de la vlvula de control 5-3 Controladores por retroalimentacin Funcionamiento de los controladores Tipos de controladores por retroalimentacin Reajuste excesivo Resumen del controlador por retroalimentacin 5-4 Resumen Bibliografa Problemas Captulo 6 Diseo de sistemas de control por retroalimentacin con un solo circuito 6-1 Circuito de control por retroalimentacin Funcin de transferencia de circuito cerrado Ecuacin caracterstica del circuito Respuesta de circuito cerrado en estado estacionario 6-2 Estabilidad del circuito de control Criterio de estabilidad Prueba de Routh Efecto de los parmetros del circuito sobre la ganancia ltima Mtodo de substitucin directa Efecto del tiempo muerto 6-3 Ajuste de los controladores por retroalimentacin Respuesta de razn de asentamiento de un cuarto mediante el mtodo de ganancia ltima Caracterizacin del proceso Prueba del proceso de escaln Respuesta de razn de asentamiento de un cuarto Ajuste mediante los criterios de error de integracin mnimo Ajuste de controladores por muestreo de datos Resumen 6-4 Sntesis de los controladores por retroalimentacin Desarrollo de la frmula de sntesis del controlador Especificacin de la respuesta de circuito cerrado Modos del controlador y parmetros de ajuste Modo derivativo para procesos con tiempo muerto Resumen 6-5 Prevencin del reajuste excesivo 6-6 Resumen</p> <p>181 186 190 196 198 198 201 203 216 219 219 219 220</p> <p>225 226 229 230 238 251 252 253 257 259 263 265 266 270 272 283 285 294 296 297 297 298 299 304 311 311 316</p> <p>14</p> <p>CONTENIDO</p> <p>Bibliografa Problemas Captulo 7 Diseo clsico de un sistema de control por retroalimentacin 7-1 Tcnica de lugar de raz Ejemplos Reglas para graticar los diagramas de lugar de raz Resumen del lugar de raz 7-2 Tcnicas de respuesta en frecuencia Diagramas de Bode Diagramas polares Diagramas de Nichols Resumen de la respuesta en frecuencia 7-3 Prueba de pulso Realizacin de la prueba de pulso Deduccin de la ecuacin de trabajo Evaluacin numrica de la integral de la transformada de Fourier 7-4 Resumen Bibliografa Problemas Captulo 8 8-1 8-2 8-3 8-4 Tcnicas adicionales de control Rels de cmputo Control de razn Control en cascada Control por accin precalculada Ejemplo de un proceso Unidad de adelanto/retardo Diseo del control lineal por accin precalculada mediante diagrama de bloques Dos ejemplos adicionales Respuesta inversa Resumen del control por accin precalculada 8-5 Control por sobreposicin y control selectivo 8-6 Control de proceso multivariable Grficas de flujo de seal (GFS) Seleccin de pares de variables controladas y manipuladas Interaccin y estabilidad Desacoplamiento 8-7 Resumen Bibliografa Problemas</p> <p>316 317 341 343 343 349 361 361 370 393 401 401 402 403 405 407 410 411 411 419 420 430 439 447 448 457 459 465 471 472 472 479 479 490 . 503 505 515 515 516</p> <p>CONTENIDO</p> <p>15</p> <p>Captulo 9 Modelos y simulacin de los sistemas de control de proceso 9-1 Desarrollo de modelos de proceso complejos 9-2 Modelo dinmico de una columna de destilacin Ecuaciones de bandeja Bandeja de alimentacin y superior Rehervidor Modelo de conde...</p>