dinámica y control de procesos introducción

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Curso de dinmico y control de procesos, material de introduccin.

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  • 1. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICASAcadmico: M.C.C. y M.C.A. Sergio NatanGonzlez Rocha Introduccin al control de procesos

2. Definiciones. Antes de analizar los sistemas de control, deben definirse ciertostrminos bsicos. Variable controlada y variable manipulada La variable controlada es la cantidad o condicin que se mide y controla. La, variable manipulada es la cantidad o condicin que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada. Por lo comn, la variable controlada es la salida (el resultado) del sistema. Controlar significa medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la variable manipulada al sistema para corregir o limitar una desviacin del valor medido a partir de un valor deseado. En el estudio de la ingeniera de control, necesitamos definir trminos adicionales que resultan necesarios para describir los sistemas de control. Plantas. Una planta puede ser una parte de un equipo, tal vez un conjunto de las partes de una mquina que funcionan juntas, el propsito de la cual es ejecutar una operacin particular. En este curso, llamaremos planta a cualquier objeto fsico que se va a controlar (tal como un dispositivo mecnico, un horno de calefaccin, un reactor qumico o una nave espacial). 3. Procesos. El Diccionario Merriam-Webster define un proceso como una operacin o undesarrollo natural progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales quese suceden uno al otro en una forma relativamente fija y que conducen a un resultado opropsito determinados; o una operacin artificial o voluntaria progresiva que consiste en unaserie de acciones o movimientos controlados, sistemticamente dirigidos hacia un resultado opropsito determinados. En este libro llamaremos proceso a cualquier operacin que se va acontrolar. Algunos ejemplos son los procesos qumicos, econmicos y biolgicos. Sistemas. Un sistema es una combinacin de componentes que actan juntos y realizan unobjetivo determinado. Un sistema no necesariamente es fsico. El concepto de sistema se aplicaa fenmenos abstractos y dinmicos, tales como los que se encuentran en la economa. Portanto, la palabra sistema debe interpretarse como una implicacin de sistemas fsicos,biolgicos, econmicos y similares. Perturbaciones. Una perturbacin es una seal que tiende a afectar negativamente el valor dela salida de un sistema. Si la perturbacin se genera dentro del sistema se denomina interna,en tanto que una perturbacin externa se produce fuera del sistema y es una entrada. Control realimentado. El control realimentado se refiere a una operacin que, en presencia deperturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada dereferencia y lo contina haciendo con base en esta diferencia. Aqu slo se especifican con estetrmino las perturbaciones impredecibles, dado que las perturbaciones predecibles oconocidas siempre pueden compensarse dentro del sistema. 4. La secuencia de acciones puede describirse del modo siguiente: el reguladorde velocidad se ajusta de modo que, a la velocidad deseada, no fluya aceitea presin en ningn lado del cilindro de potencia. Si la velocidad real caeabajo del valor deseado debido a una perturbacin, la disminucin de lafuerza centrfuga del regulador de velocidad provoca que la vlvula decontrol se mueva hacia abajo, aportando ms combustible y la velocidad delmotor aumenta hasta alcanzar el valor deseado. En cambio, si la velocidaddel motor aumenta sobre el valor deseado, el incremento en la fuerzacentrfuga del controlador provoca que la vlvula de control se mueva haciaarriba. Esto disminuye la provisin de combustible y la velocidad del motorse reduce hasta alcanzar el valor deseado.En este sistema de control de velocidad, la planta (el sistema controlado) esla mquina y la variable controlada es la velocidad de la misma. Ladiferencia entre la velocidad deseada y la velocidad real es la seal de error.La seal de control (la cantidad de combustible) que se va a aplicar a laplanta (la mquina) es la seal de actuacin. La entrada externa que seaplica para afectar la variable controlada es la perturbacin. Un cambioinesperado en la carga es una perturbacin. 5. Sistema de control de temperatura. La figura 1-3muestra un diagrama esquemtico del control detemperatura de un horno elctrico. La temperatura delhorno elctrico se mide mediante un termmetro, quees un dispositivo analgico.La temperatura analgica se convierte a unatemperatura digital mediante un convertidor A/D. Latemperatura digital se introduce a un controladormediante una interfase.Esta temperatura digital se compara con unatemperatura que se ingresa mediante un programa y sihay una dis 6. Sistemas de control realimentados. Un sistema que mantiene unarelacin prescrita entre la salida y la entrada de referencia,comparndolas y usando la diferencia como medio de control, sedenomina sistema de control realimentado. Un ejemplo sera elsistema de control de temperatura de una habitacin. Midiendo latemperatura real y comparndola con la temperatura de referencia (latemperatura deseada), el termostato activa o desactiva el equipo decalefaccin o de enfriamiento para asegurar que la temperatura de lahabitacin se conserve en un nivel. cmodo sin considerar lascondiciones externas, Los sistemas de control realimentados no selimitan a la ingeniera, sino que tambin se encuentran en diversoscampos ajenos a ella. Por ejemplo, el cuerpo humano es un sistemade control realimentado muy avanzado. Tanto la temperatura corporalcomo la presin sangunea se conservan constantes mediante unarealimentacin fisiolgica. De hecho, la realimentacin realiza unafuncin vital: vuelve el cuerpo humano relativamente insensible a lasperturbaciones externas, por lo cual lo habilita para funcionar enforma adecuada en un ambiente cambiante. 7. Los sistemas de control realimentados se denominantambin sistemas de control en lazo cerrado. En laprctica, los trminos control realimentado y control enlazo cerrado se usan indistintamente.En un sistema de control en lazo cerrado, se alimentaal controlador la seal de error de actuacin, que es ladiferencia entre la seal de entrada y la seal derealimentacin (que puede ser la seal de salida mismao una funcin de la seal de salida y sus derivadas y/ointegrales), a fin de reducir el error y llevar la salida delsistema a un valor conveniente.El trmino control en lazo cerrado siempre implica eluso de una accin de control realimentado para reducirel error del sistema. 8. Sistemas de control en lazo abierto. Los sistemas en los cuales la salida no afecta laaccin de control se denominan sistemas de control en lazo abierto. En otraspalabras, en un sistema de control en lazo abierto no se mide la salida ni serealimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo practico es una lavadora. Elremojo, el lavado y el enjuague en la lavadora operan con una base de tiempo. Lamquina no mide la seal de salida, que es la limpieza de la ropa.En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con laentrada de referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le corresponde unacondicin operativa fija; como resultado, la precisin del sistema depende de lacalibracin. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazoabierto no realiza la tarea deseada.En la prctica, el control en lazo abierto slo se usa si se conoce la relacin entre laentrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente queestos sistemas no son de control realimentado. Observe que cualquier sistema decontrol que opere con una base de tiempo es en lazo abierto. Por ejemplo, el controldel trnsito mediante seales operadas con una base de tiempo es otro ejemplo decontrol en lazo abierto. 9. Una ventaja del sistema de control en lazo cerrado es que eluso de la realimentacin vuelve la respuesta del sistemarelativamente insensible a las perturbaciones externas y alas variaciones internas en los parmetros del sistema. Portanto, es posible usar componentes relativamente precisos ybaratos para obtener el control adecuado de una plantadeterminada, en tanto que hacer eso es imposible en el casode un sistema en lazo abierto.Desde el punto de vista de la estabilidad, el sistema decontrol en lazo abierto es ms fcil de desarrollar, porque laestabilidad del sistema no es un problema importante. Porotra parte, la estabilidad es una funcin principal en elsistema de control en lazo cerrado, lo cual puede conducir acorregir en exceso errores que producen oscilaciones deamplitud constante o cambiante. 10. Ogata K.,(1998),Ingeniera de controlmoderno, Prentice Hall. Pp. 1 - 8