introducción al control automático

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  • 1. Introduccin al Control Automtico Prof. Paolo Castillo Rubio (Material recopilado por el Prof. Alfredo Spina de la Universidad Nacional de Quilmes)

2. Los Inicios del Control El control por realimentacin tiene una larga historia que comenz con el deseo primordial de los seres humanos de dominar los materiales y las fuerzas de la naturaleza en su provecho. Los primeros ejemplos de dispositivos de control incluyen los sistemas de regulacin de relojes y los mecanismos para mantener los molinos de viento orientados en la direccin del viento. Las plantas industriales modernas poseen sofisticados sistemas de control que son cruciales para su operacin correcta. 3. Una planta industrial moderna: una seccin de la refinera de petrleo austraca OMV 4. La ingeniera de control ha tenido un enorme impacto en nuestra sociedad. Astrm cita a Wilbur Wright (1901): Sabemos como construir aeroplanos. Sabemos como construir motores. El no saber cmoequilibrarymaniobraran desafa a losestudiantes del problema de vuelo. Cuando esta nica dificultad sea resuelta, la era del vuelo habr arribado, ya que todas las dems dificultades son de menor importancia. 5. Los hermanos Wright resolvieron cmoequilibrarymaniobrar y volaron elKitty Hawkel 17 de diciembre de 1903! 6. De hecho, ninguno de los sistemas modernos (aviones, trenes de alta velocidad, reproductores de CD, etc.) podran operar sin la ayuda de sofisticados sistemas de control. Por ejemplo, elregulador centrfugo de Watttuvo un impactofundamental durante la revolucin industrial. La fotografa muestra unregulador centrfugo deWatt usado en una mquina de vapor en una fbrica detelas cerca de Manchester,en el Reino Unido. Manchesterfue el centro de la revolucinindustrial. La fbrica de telas est an en operacin. 7. Regulador centrfugo de Watt (Figura de Dorf & Bishop,Modern Control Systems, 9a Ed. ) 8. Dnde se usa control?

  • Procesos industriales
  • Transporte ( Autos ,Trenes ,Barcos ,Aviones ,Naves espaciales)
  • Generacin de energa
  • Transmisin de energa
  • Mecatrnica
  • Instrumentacin
  • Artefactos electrnicos
  • Economa
  • Medicina

9. Un mejor control es la clave tecnolgica para lograr

  • productos de mayor calidad
  • minimizacin de desperdicios
  • proteccin del medio ambiente
  • mayor rendimiento de la capacidad instalada
  • mayores mrgenes de seguridad

10. Todas estos elementos son relevantes en el control de una planta integrada como la planta de amonaco de la figura. 11. Tipos de diseos de control

  • El diseo de sistemas de control tambin toma distintas formas, cada una de las cuales requiere enfoques ligeramente distintos.
  • L@s ingenier@s de control deben resolver problemas en lasdistintas etapas de la vida de un sistema de control, por ejemplo:
  • Diseo inicial de base
  • Construccin y ajuste
  • Refinamiento y actualizacin
  • Estudio forense

12. Integracin de sistemas

  • El xito en ingeniera de control se apoya en tener un enfoque global de los problemas. Algunos de los elementos a tener en cuenta:
  • la planta, el proceso a ser controlado
  • los objetivos
  • los sensores
  • los actuadores
  • las comunicaciones
  • el cmputo
  • la configuracin e interfaces
  • los algoritmos
  • las perturbaciones e incertidumbres

13. La planta La estructura fsica de la planta es una parte intrnseca del problema de control. Por lo tanto, l@s ingenier@s de control deben estar familiarizadoscon la fsica del proceso bajo estudio. Esto incluye conocimientos bsicos de balances de energa, balances de masas, y flujo de materiales en el sistema. 14. Objetivos

  • Antes de disear sensores, actuadores, o configuraciones de control, es importante conocer los objetivos de control.
  • Estos incluyen:
  • Qu es lo que se pretende alcanzar (reduccin de energa,mayor producin, etc.).
  • Qu variables deben controlarse para alcanzar los objetivos.
  • Qu nivel de calidad se necesita (precisin, velocidad, etc.).

15. Los sensores Los sensores son losojosdel sistema de control, que le permitenverqu est pasando. De hecho, algo que suele decirseen control es: Si se puede medir, se puede controlar 16. Los actuadores Una vez ubicados los sensores para informar elestadode un proceso, sigue determinar la forma deactuarsobre el sistemapara hacerlo ir del estado actual al estado deseado. Un problema de control industrial tpicamente involucrar varios actuadores distintos (ejemplo: tren de laminacin). 17. Tren de laminacin moderno. 18. Las comunicaciones La interconeccin de sensores y actuadores requieren el uso de sistemas de comunicacin. Una planta tpica va a tener miles de seales diferentes que sebern ser transmitidas largas distancias. As, el diseo de sistemas de comunicacin y sus protocolos asociados es un aspecto cada vez ms importante de la ingeniera de control moderna. 19. El cmputo En los sistemas de control modernos la interconeccin de sensores y actuadores se hace invariablemente a travs de una computadora de algn tipo. Por lo tanto, los aspectos computacionales son necesariamente una parte del diseo general. Los sistemas de control actuales usan una gama de dispositivos de cmputo, que incluyen DCS (sistemas de control distribuido), PLC (controladores lgicos programables), PC (computadoras personales), etc. 20. UNAC-PC: un entorno para implementacin rpida de control de procesos. 21. Configuracin e interfaces La cuestin de qu se conecta con qu no es trivial en el diseo de un sistema de control. Podra pensarse que lo mejor siempre sera llevar todas las seales a un punto central, de manera que cada accin de control est basada en informacincompleta (el denominadocontrol centralizado ). Sin embargo, esta raramente es la mejor solucin en la prctica. De hecho, hay muy buenas razones por las que no conviene llevar todas las seales a un punto comn. Algunas obvias son complejidad, costos, limitaciones en tiempo de cmputo, mantenimiento, confiabilidad, etc. 22. Tpica jerarqua de control 23. Algoritmos Finalmente, llegamos alcoraznde la ingeniera de control:los algoritmos que conectan sensores y actuadores. Es muy fcil subestimar este aspecto final del problema. Como ejemplo simple de nuestra experiencia diaria, consideremos el problema de jugar tenis a primer nivel internacional. Claramente, se necesita buena visin (sensores) y fuerza muscular (actuadores) para jugar tenis en este nivel, pero estos atributos no son suficientes. De hecho, la coordinacin entre ojos y brazo es tambin crucial para el xito. En resumen: Los sensores proveen los ojos, y los actuadores los msculos; la teora de control provee la destreza. 24.

  • Mejores sensoresdan mejor visin
  • Mejores actuadoresdan ms msculos
  • Mejor controlda ms destreza al combinarsensoresyactuadoresde forma ms inteligente

25. Perturbaciones e incertidumbre Uno de los factores que hacen a la ciencia del control interesante es que todos los sistemas reales estn afectados por ruido y perturbaciones externas. Estos factores pueden tener un impacto significativo en el rendimiento del sistema. Como ejemplo simple, los aviones estn sujetos a rfagas de vientos y pozos de aire; los controladores de crucero de los automviles deben adecuarse a diferentes condiciones de la ruta y diferentes cargas del vehculo. 26. Homogeneidad Finalmente, todos los sistemas interconectados, incluyendo sistemas de control, slo pueden ser tan buenos como el elemento ms dbil. Las consecuencias de este hecho en el diseo de control son que debe tenderse a que todos los componentes (planta, sensores, actuadores, comunicaciones, cmputo, interfaces, algoritmos, etc.) sean de una precisin y calidad aproximadamente comparable. 27. Anlisis costo-beneficio

  • Para poder avanzar en ingeniera de control (como en muchas otras disciplinas) es importante saber justificar los gastos asociados. Esta justificacin usualmente toma la forma deunanlisis costo-beneficio . Las etapas tpicas incluyen:
  • Evaluacin de un rango de oportunidades de control.
  • Seleccin de una lista corta a examinar en ms detalle.
  • Decidir entre un proyecto de alto impacto econmico o almedio ambiente.
  • Consultar personal adecuado (gerencial, de operacin, deproduccin, de mantenimiento, etc.).
  • Identificar los puntos claves de accin.

28.

  • Obtener informacin de desempeo de un caso base paracomparacin ulterior.
  • Decidir modificaciones a las especificaciones de operacin.
  • Actualizar actuadores, sensores, etc.
  • Desarrollar de algoritmos.
  • Probar algoritmos va simulacin.
  • Probar de algoritmos sobre la planta usando sistemas dedesarrollo rpido de prototipos.
  • Obtener informacin de desempeo para comparar con elcaso base.
  • Realizar la implementacin definitiva.
  • Obtener informacin de desempeo final alcanzado.
  • Realizar el informe final del proyecto.

29. Resumen

  • La Ingeniera de Control est presente en virtualmente todoslos sistemas modernos de ingeniera.
  • El control es una tecnologa a menudo invisible, ya queel xito mismo de su ap