84612488 sistemas en lazo cerrado y abierto

7/30/2019 84612488 Sistemas en Lazo Cerrado y Abierto

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Sistemas en lazo cerrado:

DEFINICION Y CARACTERSTICAS

Los sistemas de control realimentados se denominan tambin sistemas de control de lazo

cerrado. En la prctica, los trminos control realimentado y control en lazo cerrado se usanindistintamente.

En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la seal de error deactuacin, que es la diferencia entre la seal de entrada y la salida de realimentacin (que

puede ser la seal de salida misma o una funcin de la seal de salida y sus derivadas o/y

integrales) a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El

trmino control en lazo cerrado siempre implica el uso de una accin de controlrealimentando para reducir el error del sistema

ELEMENTOS BSICOS

1. Elemento de comparacin: Este elemento compara el valor requerido o de referencia de

la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la salida, y produce unaseal de error la cual indica la diferencia del valor obtenido a la salida y el valor requerido.

2. Elemento de control: Este elemento decide que accin tomar cuando se recibe una sealde error.

3. Elemento de correccin: Este elemento se utiliza para producir un cambio en el procesoal eliminar el error.

4. Elemento de proceso: El proceso o planta, es el sistema dnde se va a controlar lavariable.

5. Elemento de medicin: Este elemento produce una seal relacionada con la condicin

de la variable controlada, y proporciona la seal de realimentacin al elemento de

comparacin para determinar si hay o no error.


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Sistemas en lazo abierto:DEFINICIN Y CARACTERSTICAS

Son los sistemas en los cuales la salida no afecta la accin de control. En un sistema en lazo

abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada.

En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada dereferencia. Por tanto a cada entrada de referencia le corresponde una condicin operativa

fija; como resultado, la precisin del sistema depende de la calibracin. Ante la presencia

de perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada. En la

prctica, el control en lazo abierto slo se utiliza si se conoce la relacin entre la entrada y

la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos sistemas noson de control realimentado.

ELEMENTOS BSICOS

1. Elemento de control: Este elemento determina qu accin se va a tomar dada unaentrada al sistema de control.

2. Elemento de correccin: Este elemento responde a la entrada que viene del elemento decontrol e inicia la accin para producir el cambio en la variable controlada al valor

requerido.

3. Proceso: El proceso o planta en el sistema en el que se va a controlar la variable.


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CONTROL RETROALIMENTADO.

PROCESOS.

Los procesos industriales se tienen su propsito principal el de transformar materias primas en un productofinal. Durante el proceso de la produccin de estos bienes, se tienen diversos procesos, ya sea que seanreutilizados los materiales, o se convierta energa para producir el producto final.

La instrumentacin provee el significado del proceso de produccin para asegurar que los productos seanelaborados apropiadamente.

Aunque hay varios procesos industriales y ninguno es idntico es importante saber que los principios queaplica en los procesos son semejantes en sus principios.

Un proceso puede ser descrito como la secuencia de cambios en una sustancia.

La secuencia de cambios puede ocurrir en el aspecto qumico, fsico o ambos en la composicin de unasustancia incluyendo parmetros como el flujo, nivel, presin, temperatura densidad volumen, acidez ygravedad especifica, as como muchos otros, Tambin muchos procesos requieren de transferencia deenerga. La mezcla de fluidos, el calentamiento o el enfriamiento de substancias, el bombeo de agua de un

lugar a otro, el enlatado de comida, la destilacin de gasolina, el pasteurizado de la leche, y convertir la luzsolar en energa elctrica todos pueden ser descritos como procesos. Cuando una sustancia es calentada, sutemperatura y su composicin puede cambiar. Cuando la luz solar es convertida en electricidad, puedenocurrir cambios fsicos como qumicos.

VARIABLES.

En todo proceso tenemos diversas variables, las cuales afectan las entradas o salidas del proceso.Temperatura, nivel, flujo, presin, son las variables ms comunes en los procesos industriales, las cuales sonmonitoreadas y controladas por medio de la instrumentacin del proceso.


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SISTEMAS DE INSTRUMENTACIN MEDICIN Y CONTROL DE VARIABLES.

Los instrumentos son diseados para medir, indicar, controlar o almacenar la informacin de las variables delproceso, adems de manipular mecanismos que controlen diversos estados de un proceso. Algunos procesosson muy similares, pero eso no significa que sean exactamente iguales, por lo tanto, no todos los procesostienen las mismas necesidades de control.

La medicin de una o ms variables, hace posible determinar con certeza que sucede en un punto especficodel proceso.

El sistemas de calefaccin de una casa es ejemplo de un proceso, el cual tiene una variable controlada, eltermostato de la calefaccin indica el estado de la variable existente medida y controlada.

EL PROCESO DE CONTROL.

Un proceso industrial comienza con la medicin de una variable. Por ejemplo, la temperatura del fluido delproceso fuera del intercambiador de calor es medida.

Esta informacin es utilizada para llevar a cabo una decisin acerca el proceso.Finalmente, se lleva a cabo laaccin basada en la decisin tomada.

DIFERENCIAS ENTRE CONTROL MANUAL Y CONTROL AUTOMTICO.

Cuando se conduce un automvil, el tripulante debe considerar ciertas variables. La velocidad es una de esasvariables, la cual es necesaria para reunir informacin acerca de que tan rpido avanza el auto. El velocmetroindica la velocidad actual del auto. La velocidad lmite del auto indica la velocidad deseada del auto. Estos

valores pueden ser comparados para tomar una decisin. El estado actual de la variable comparado con elestado deseado es lo que determina una apropiada accin, con el objeto de aumentar o disminuir la velocidad,o simplemente no llevar a cabo ninguna accin.

Una vez que la decisin a sido tomada e implementada, el siguiente paso es verificar de nuevo la velocidaddel auto, para determinar que efecto han tenido los cambios hechos con anterioridad. Cuando la informacinha sido reunida, se ha tomado una decisin y realizado una accin, se dice que se lleva a cabo un controlmanual del auto. La decisin de aumentar, disminuir, o mantener la velocidad del auto, es realizadaautomticamente por un instrumento. El control que se realiza por medio de instrumentos, se dice que es uncontrol automtico.


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VARIABLES UTILIZADAS EN EL PROCESO DE CONTROL.

El lazo de control de un proceso es diseado para tener todas las variables bajo control. eltermino utilizadopara llamar a la variable que a sido manipulada, es el de VARIABLE MANIPULADA.A la o las variablesque han sido medidas con anterioridad se les denomina VARIABLE MEDIDA. De la misma manera, eltermino utilizado para expresar el valor de ajuste, es SET POINT, y la diferencia entre el valor actual de lavariable y el set point, se denomina DESVIACIN.

La accin es realizada para eliminar la desviacin. En el proceso de control, la accin es el ajuste de lavariable, a este ajuste se le denomina VARIABLE MANIPULADA.

En trminos prcticos, el control es un ciclo continuo de medicin, toma de decisin, y realizar una accin. Elproceso de control es un lazo diseado para mantener la variable controlada en el set point.

COMPONENTES DE CONTROL.

Un disturbio es un cambio en la demanda del sistema, usualmente es un factor fuera del lazo, el cual afecta lavariable controlada. Con el fin de compensar los disturbios y mantener el control, el proceso de toma dedecisin debe ser continuo.

Feedback es el termino utilizado para indicar una medicin y respuesta continuas a la informacin generada.Esta es la forma mas simple de control. eltermino usado para definir los instrumentos en un sistema de controlda informacin, decide y toma accin en un sistema de control retroalimentado, es un lazo de controlretroalimentado.

El lazo de control retroalimentado, incluye un censor, un transmisor, un controlador, y un elemento final decontrol. Censores, transmisores, y los elementos finales de control, a menudo estn localizados en campocerca del proceso. Los controladores, comnmente se localizan en el cuarto de control.

El censor detecta el valor de la variable medida. El transmisor convierte la seal del censor a una sealnormalizada y la enva al controlador. El controlador compara el valor de la seal transmitida con el set point yenva una seal de salida al elemento final de control. El elemento final de control es reposicionado paracorregir la desviacin provocada por los disturbios en el sistema.

SENSORES Y TRANSMISORES.

TIEMPO DE RESPUESTA.

Diversos factores determinan que censores deben usarse para monitorear una variable, como son tiempo derespuesta, exactitud, precisin. Los censores no responden inmediatamente, se requiere un periodo de tiempopara que los censores respondan a los cambios.

El termino tiempo de respuesta es utilizado para designar al tiempo que requiere un instrumento como puedeser un censor para responder a los cambios en la variable medida.

Como se menciona anteriormente, distintos factores son los que afectan el tiempo de respuesta del censor,como son el tipo de censor, la proximidad del censor a la variable medida. Por ejemplo, un instrumento de

presin responder a cambios en la presin en un par de segundos, mientras que un censor de temperaturatomar ms tiempo para responder, porque el censor tiene que calentarse o enfriarse en respuesta a loscambios en la temperatura de la variable medida. Este efecto es conocido como retraso trmico.

Por ejemplo, el tiempo de respuesta de un censor de temperatura en un termopozo es mucho ms largo queel de un censor posicionado en contacto directo de la variable medida. Similarmente, un censor de presin deaire que esta directamente conectado a la pipa, responder ms rpido que un censor idntico conectado a latubera del proceso y a una distancia mayor. Este efecto es conocido como retraso hidrulico.

DIFERENCIA ENTRE EXACTITUD Y PRECISIN.


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Exactitud y precisin son caractersticas de los censores. Estos trminos tienen diferentes significados en elcontexto de los procesos de control.

El trmino exactitud es usado para denotar que tan estrechas son las lecturas de las mediciones de uninstrumento, como puede ser un censor.

El trmino precisin es usado para designar que tan consistentes son las lecturas realizadas por un

instrumento. Las diferencias entre exactitud y precisin son ilustradas en las siguientes grficas.

Nuevamente tenemos cuatro lecturas de presin, otra vez el valor de la presin actual es constante, peropodemos considerar que estas lecturas son precisas, porque las lecturas son consistentes y reproducibles.

La capacidad de un censor est determinada por tres caractersticas: tiempo de respuesta, exactitud, yprecisin.

Censores de distintos tipos estn disponibles para usarse en diferentes procesos, consecuentemente tenemosun vasto rango de posibles seales de salida. Por ejemplo, un censor puede proveer un movimientomecnico, variacin de flujo, variacin de mili voltajes, variacin en la resistencia o en la capacitancia. Cuandouna o varias de estas seales es recibida por el transmisor, estas son convertidas a una seal estandarizada.

SEALES ESTNDAR MAS COMUNES.


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El sensor mide el cambio el valor de la variable controlada retransmitido al transmisor, este convierte el valoren una seal estndar representando la medicin. Esta seal es enviada al controlador para ser comparadacon el set point.

Las seales electrnicas y neumticas son referidas como una seal analgica porque cada tipo de sealpuede asumir un valor en cualquier punto entre un valor mnimo y mximo predeterminado. Las sealespticas usualmente son transmitidas en uno o dos estados: on off. Las seales que tienen solo dos

valores discretos, son referidas comnmente como seales digitales. En funcin de valores especficos arepresentar, las seales pticas son transmitidas en series de pulsos on y off.

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

La posicin del elemento final de control est determinada por los controladores. Especficamente la posicindel elemento final de control est determinada por la o las seales representando el valor de la desviacin quees transmitida al controlador.

El diseo de un elemento final de control est determinado por las necesidades de el sistema de control.

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL MAS COMUNES.

Vlvulas de control, bombas, bombas de medicin, relevadores, ventiladores con aspas ajustables, sonalgunos tipos de elementos finales de control ms comunes. Otros tipos de elementos finales de control son:variadores de velocidad, bombas o compresores, y bandas ajustables de velocidad en sistemas detransportacin. La aplicacin es la que dicta que tipo de mecanismo es el adecuado para el control de lasvariables en el proceso.

Los elementos finales de control elctricos, generalmente son activados por motores o solenoides. Lasvlvulas solenoides solo tienen dos posiciones: abierto o cerrado.

Las vlvulas de control operadas neumticamente son muy comunes en la industria. Muchas vlvulas decontrol son operadas con actuadores neumticos. In operacin, aire a presin aplicado al diafragma delactuador causa una flexin, esta flexin posiciona la vlvula.

OTROS LAZOS DE CONTROL.

El control en cascada a menudo puede controlar un proceso ms precisamente que un sencillo lazo de controlretroalimentado, porque el control en cascada permite que una segunda variable sea monitoreada en adicina la variable controlada. En aplicaciones del control de cascada, la seleccin de la segunda variable estbasada en la capacidad para reflejar rpidamente cualquier disturbio a la variable manipulada. El control encascada es un lazo de control instalado dentro de otro lazo de control.

Una aplicacin semejante a la operacin de mezclado es una en la cual el control en cascada puede seraplicado. Con una sola variable monitoreada existente, el control no es tan preciso como se requiere.

Asumimos que los qumicos son bombeados hacia el tanque de mezclado y mantenidos a una temperatura


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controlada. Si la temperatura de la variable controlada, crece o decrece debajo del valor del set point, uncensor transmite la seal al controlador. En respuesta, el controlador, reposiciona las vlvulas de agua y vaporpara subir o bajar la temperatura del vapor y agua en la cubierta del tanque. El ajuste con solo un lazo sencillode control el sistema responder bien a los cambios en la variable controlada, pero no podra respondereficientemente a los cambios en la variable manipulada, que en este caso es la presin. Un disturbio comouna disminucin en la presin del vapor podra afectar adversamente la etapa del control preciso requeridopor la primera variable controlada (temperatura).

Una etapa ms precisa de control puede ser obtenida por el monitoreo de la temperatura de la temperaturadel agua y el vapor en adicin a monitorear la temperatura del producto en el tanque. En este ejemplo. Un,segundo lazo de control es creado por la suma de dos componentes ms al sistema, un censor y uncontrolador. El censor adicional monitorea la temperatura del agua y vapor. El controlador adicional, posicionala vlvula de vapor y agua. El segundo lazo es llamado lazo secundario o interior. El lazo primario o exterior,continua para responder a la temperatura del liquido en el tanque.

De tal manera que en lugar de posicionar directamente las vlvulas de vapor y agua, la salida del controladoren el lazo primario ajusta el set point del controlador secundario. El controlador secundario posiciona lasvlvulas en repuesta a cambios en el set point.

El control proporcional a menudo es implementado en procesos en que los materiales deben ser mezcladosen proporcin a otro. Un controlador proporcional, mantiene una proporcin predeterminada entre dos o ms

variables, usualmente flujo.

Por ejemplo, un producto requiere una parte de un material A por dos partes de un material B. con elcontrol proporcional.La razn de flujo de uno de los materiales est determinada por partes especficas delproceso. Esta razn de flujo es esencialmente incontrolada y es comnmente designada flujo deshabilitado.En suma, el control proporcional monitorea el valor de una variable y ajusta el valor de la segunda variable enrazn de la primera variable.

El control retroalimentado es otro tipo de control usado cuando se requiere una mayor efectividad y precisincomo puede proveer un lazo sencillo de control retroalimentado.

El control retroalimentado esta capacitado para compensar el sistema antes de que los disturbios afecten lavariable controlada. En otras palabras, los disturbios son medidos y controlados antes que afecten el proceso.


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El diagrama ilustra un lazo de control retroalimentado monitoreando un intercambiador de calor. Latemperatura de salida es la variable controlada. El suministro de vapor es la variable manipulada. Como latemperatura de salida del proceso vara, el controlador abre o cierra la vlvula de vapor para subir o bajar latemperatura dentro del intercambiador de calor. Con este modo de control, puede desviarse desde el set pointantes de que la accin de control sea aplicada. El lapso de tiempo entre el punto en el que la desviacinocurre y el punto en el que se realiza la accin correctiva, provoca que la temperatura del proceso vare.

Este diagrama ilustra un lazo de control feedforward es combinado con un control retroalimentado. Con elcontrol feedforward, dos censores son usados para monitorear el proceso. Uno de los censores monitorea la

temperatura que entra al proceso, mientras que el segundo monitorea la razn de flujo, basado en las sealesde salida de los dos censores, el controlador calcula la cantidad de vapor necesaria para mantener el valor dela variable controlada. El resultado final es que la temperatura de la variable controlada, est ms exacta oprecisamente controlada.

Este tipo de control se utiliza en aplicaciones en las que no pueden tolerarse desviaciones en el set point.Tambin es utilizado en combinacin con el control retroalimentado para alcanzar el punto necesario deexactitud o precisin que la aplicacin requiere.

(VIDEO II.) MODOS DE PROCESOS DE CONTROL.

CONTROL DE DOS POSICIONES.

Algunos procesos no requieren un control muy complejo, esos procesos operan con gran xito con un altorango de tolerancia. Otros procesos requieren un control mucho ms complejo, por lo tanto el proceso es elque determina que tipo de control se requiere.

LA FUNCIN DEL CONTROLADOR EN UN PROCESO.

Los mecanismos en un proceso tpico, incluyen un censor, un transmisor un controlador, y un elemento final econtrol. el censor mide el valor de la variable controlada, este valores convertido a una seal estndar por eltransmisor. El transmisor enva esta seal al controlador. El controlador compara la seal con el set point, ybasado en la desviacin, decide cual es la accin adecuada a realizar.


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La seal de salida del controlador posiciona el elemento final de control. el elemento final de control respondea la seal de salida cambiando el valor de la variable manipulada.

LOS CUATRO MODOS DE CONTROL.

Hay cuatro modos de control: control dos-posiciones, control proporcional, control integral, y el controlderivativo.

Los modos de control proporcional, integral y derivativo son continuos. Un controlador puede estar equipadocon uno o ms modos de control continuo.

PRINCIPIO DE OPERACIN DEL CONTROL DE DOS POSICIONES.

En procesos en los que no se requiere un control muy preciso, el control dos-posiciones on/off, puede ser eladecuado. El funcionamiento del control dos-posiciones se ilustra en la siguiente figura. El lquido en el tanquepuede ser mantenido en una temperatura especfica, la temperatura es la variable controlada en este ejemplo.El vapor es la variable controlada.

Los componentes en este lazo son: un censor, un transmisor, un controlador dos-posiciones, y un elementofinal e control, que en este caso es un vlvula. La vlvula solo tiene dos posiciones: abierto o cerrado.Cualquier cambio en la temperatura del producto almacenado en el tanque es detectado por el censor, laseal detectada es transmitida al controlador. El controlador determina que la temperatura est por debajo delset point y enva una seal para abrirla vlvula del vapor. La vlvula abre incrementando el flujo de vapor(variable manipulada), para calentar el tanque.

Cuando el flujo de vapor en el tanque es iniciado, la temperatura regresar al valor del set point. La

temperatura continuar subiendo hasta que una nueva accin sea tomada. Cuando la temperatura del lquidoexcede el set point, una seal para cerrar la vlvula es enviada al elemento final de control, como se muestraen la siguiente figura.


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EFECTOS DEL CONTROL DOS-POSICIONES EN UN PROCESO.

En el ejemplo anterior se nota que el lazo de control no puede responder inmediatamente a los cambios. Dosfactores son los que impiden la inmediata respuesta, el tiempo de respuesta del censor y el tiempo requeridopor el lquido en el tanque para responder a los cambios en la variable manipulada.

Consecuentemente, el control dos-posiciones puede causar oscilaciones significativas en el proceso. Si elproceso puede tolerar las oscilaciones en la variable controlada, el control dos-posiciones es el adecuado. Siel proceso no tolera las oscilaciones, debe ser usado otro modo de control.

CONTROL PROPORCIONAL.

El control continuo, posiciona el elemento final de control en ms d dos posiciones.

El control proporcional es usado a menudo en sistemas donde el valor de la variable controlada cambiaconstantemente en respuesta a los disturbios. El principio de operacin del control proporcional puede serilustrado considerando como se controla la presin en un calentador. El vapor producido es la variablecontrolada. La proporcin del flujo del combustible es la variable manipulada.

La dinmica del proceso, prohbe el uso del modo de control dos-posiciones. El control dos-posiciones nopuede mantener la presin del calentador dentro de los lmites tolerables.

La accin de control proporcional puede tranquilizar mucho al control / proceso y reducir oscilaciones. Cuandoel controlador proporcional recibe la seal del censor, esta es la presin transmitida por el vapor caliente, elcontrolador responde a cualquier desviacin del set point en el elemento final de control. El elemento final decontrol, una vlvula de control de combustible puede estar en posicin abierta, cerrada, o en cualquier otra

posicin intermedia, tambin ser posicionada en proporcin a la desviacin. La capacidad de ajustar laposicin de la vlvula, permite un mayor ajuste gradual del flujo de combustible como los cambios de presinde el calentador.

Los controladores proporcionales son diseados para mantener una continua relacin entre la variablecontrolada y la posicin del elemento final de control.

El controlador responde a incrementos en la variable controlada, presin del calentador.


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Por ejemplo, in este sistema, Un censor monitorea la temperatura de la salida del fluido del proceso y envauna seal al transmisor. El transmisor retransmite la seal de temperatura al controlador. El controladorcompara la seal de salida del transmisor con el set point y decide si es requerida una accin correctiva.

BANDA PROPORCIONAL.

El trmino banda proporcional designa la cantidad de cambios que necesita la entrada para proveer uncompleto rango de cambios a la salida, y puede ser calculado utilizando la siguiente ecuacin:

Por ejemplo, si la ganancia es 1.33, la banda proporcional es ajustada al 75%.

Los cambios en la accin de control proporcional son expresados como cambios en ganancia proporcional.Ganancia proporcional es la relacin del cambio en la entrada al cambio en la salida. La gananciaproporcional se puede calcular con la siguiente expresin:

LOS EFECTOS DE CAMBIAR EL ANCHO DE BANDA DE UN PROPORCIONAL.


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La accin de control proporcional tomada en el sistema, ha sido ajustada a la mitad en la entrada, esnecesario para abrir o cerrar completamente la vlvula. En entonces la misma salida sera alcanzada con lamitad de la entrada. Porque solo el 50 por ciento de entrada es requerido para obtener un rango completo desalida, la banda proporcional es del 50 por ciento y la ganancia es 2.

El efecto opuesto puede ser alcanzado ajustando la banda proporcional en la direccin opuesta. Tomando uncambio en el rango completo de la entrada, representa un cambio del 50 por ciento en la salida. El resultadoes que la misma entrada alcanza solo la mitad, tanto como la salida.


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la banda proporcional es igual 200% y la ganancia es de 0.5

Una banda proporcional ancha o una ganancia baja corresponde a una baja respuesta. Una bandaproporcional angosta o una ganancia alta, corresponde a una mayor respuesta.

CONTROL PID.

IMPORTANCIA DE TENER LA CANTIDAD APROPIADA DE CONTROL PROPORCIONAL.

Una apropiada accin de control provee una rpida respuesta,

Cuando la accin proporcional es excesiva, pequeas desviaciones desde el set point resultan en cambiossignificativos en la salida. Con una insuficiente accin de control, virtualmente no hay control; grandescambios en la entrada solo causan cambios pequeos en la salida. Generalmente una accin de controladecuada est entre alguno de estos dos extremos.

Este es el efecto de una banda proporcional que es demasiado angosta. El pequeo cambio relativo en el setpoint resulta en un cambio significativo en la salida, causando un efecto de oscilacin similar al de la accin de

control dos-posiciones.


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Por el otro lado, una banda proporcional que es demasiado ancha, tambin crea dificultades. Un gran cambioen la entrada causa un pequeo cambio en la salida, OFFSET.

El termino utilizado para expresar la diferencia entre el set point y el valor de la variable de proceso esoffset. El offset es inherente al modo de control proporcional, y puede ser corregido, porque el controlproporcional produce correcciones proporcionales a las desviaciones.

FUNCION DEL CONTROL INTEGRAL.

Los controladores proporcionales industriales usualmente tienen una segunda accin de control para eliminarel offset con la misma secuencia de pasos, chequeo, ajuste, y rechequeo del estado de la variable controladahasta que regrese al set point.

La accin integral a menudo es llamada reajuste (reset) porque reajusta (resetea) la salida del controladorhasta que el set point sea alcanzado. La accin de reajuste (reset) est determinada en repeticiones porminuto o minutos por repeticin.

Idealmente, la proporcin en que accin integral es implementada, no se tiene un impacto negativo en laestabilidad del proceso. El nico tipo de aplicacin en la que el periodo de tiempo no es un problema, es en elcontrol de flujo.

La accin de control integral es adicionada al controlador feedforward en lazos de flujo para proveer unaaccin de amortiguamiento o filtracin para el lazo. La accin de control puede regresar la variable delproceso al set point tan rpido como sea posible, sin provocar grandes oscilaciones en el sistema. Esta accinde control puede ser ajustada de la misma manera que la accin proporcional. El control integral no puede serusado para estabilizar un proceso, esta diseado para eliminar el offset.


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Esta ilustracin muestra el efecto de la accin integral de control. la accin integral provee salida al elementofinal de control hasta que el proceso regresa al set point. Cuando el control proporcional es combinado con elcontrol integral, la accin de control proporcional es repetida hasta que el elemento final de control esposicionado para corregir el offset.

DESCRIPCION DEL CONTROL DERIVATIVO.

Las acciones proporcional e integral, pueden ser combinadas con las accin derivativa para compensar losprocesos que tienen una respuesta lenta.

La accin derivativa responde tan rpido como ocurre la desviacin del set point. El control PID es el mscomplejo de los modos de control.

En funcin de su puesta a punto, los controladores PID requieren tres ajustes. De tal forma es propiamenteajustada, el controlador puede proveer un control muy preciso del proceso. Los controladores PID soncomnmente encontrados en procesos en donde la temperatura es la variable controlada, porque el tiempo derespuesta es relativamente lento.

El control derivativo habilita al controlador para responder ms rpido y posicionar el elemento final de controlms rpido que con solo las acciones proporcional e integral.

(VIDEO III.) PROCESOS Y SISTEMAS.

CARACTERSTICAS.

Aunque hay muchos procesos industriales y ninguno es idntico es importante saber que los principios queaplica en los procesos son semejantes en sus principios.

Un proceso puede ser descrito como la secuencia de cambios en una sustancia.

La secuencia de cambios puede ocurrir en el aspecto qumico, fsico o ambos en la composicin de unasustancia incluyendo parmetros como el flujo, nivel, presin, temperatura densidad volumen, acidez ygravedad especifica, as como muchos otros, Tambin muchos procesos requieren de transferencia deenerga. La mezcla de fluidos, el calentamiento o el enfriamiento de substancias, el bombeo de agua de un

lugar a otro, el enlatado de comida, la destilacin de gasolina, el pasteurizado de la leche, y convertir la luzsolar en energa elctrica todos pueden ser descritos como procesos. Cuando una sustancia es calentada, sutemperatura y su composicin puede cambiar. Cuando la luz solar es convertida en electricidad, puedenocurrir cambios fsicos como qumicos.

Diferencia entre un sistema y un proceso.

Frecuentemente en el pasado l termino proceso era aplicado a la planta, esto es como designar procesocomo vlvulas y equipos que s necesitar para fabricar el producto. Por ejemplo la descripcin de un procesopara enfriar agua en un intercambiador de tubo concha, esto puede definir las acciones necesarias para


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alterar la temperatura pero tambin identifica el instrumento usado para hacer el trabajo. Para usar el terminoadecuadamente el proceso puede describir que esta ocurriendo sin el sistema.

La observacin directa de las acciones necesarias para casi todos los procesos no es posible, pero laobservacin o monitoreo de los parmetros de un proceso, es un aspecto critico para el control.Consecuentemente, los procesos pueden ser monitoreados y controlados a travs del uso de variosinstrumentos. Los sistemas de instrumentacin y su aplicacin son con el propsito de observacin, monitoreo

y control. El sistema tiene las decisiones y las componentes de control necesarias para mantener dentro delos propios limites. En la mayora de los casos, los parmetros de los procesos se refieren a las variables delproceso. Las variables son diferentes de acuerdo a la naturaleza de un proceso especifico, pero las cuatrovariables mas comunes son temperatura, presin, nivel y fluido.

Def inic in de f luid o de trabajo.

En los procesos donde se requiere mas de un fluido, los fluidos son descritos de acuerdo a su funcin en elproceso. En otras palabras, termino de fluido de trabajo diferencia del fluido, por que es el que se encarga derealizar una funcin en el proceso.

Supongamos que el vapor es utilizado en un proceso para calentar agua, esto se hace en un intercambiadode tubos, el vapor el fluido de trabajo, este calienta el agua al hacer contacto con en el interior de los tubos,despus el fluido de trabajo va afuera de l intercambiador en forma condensada y despus puede ser

regresado a una caldera para volverse vapor nuevamente. El fluido que pasa a travs de los tubos delintercambiador continua a la siguiente etapa del proceso.

Descripcin de un sistema abierto y un sistema cerrado.

Los sistemas de proceso de fluidos pueden ser designados como sistemas abiertos o sistemas cerrados. Estose basa en la forma en que el fluido pasa a travs del sistema. En un sistema cerrado l liquido de trabajopermanece en el sistema. En un sistema abierto el fluido se pierde.

Un ejemplo de un sistema cerrado es el aire acondicionado. En un sistema de aire acondicionado, el fluido detrabajo como el FREON, circula a travs del enfriador y este es impulsado por un ventilador, aunque elFREON cambia de estado de liquido a gas, este no se pierde en el sistema, este pasa por el condensador yse repite el ciclo.

En un sistema abierto el fluido se pierde en el sistema, un ejemplo es un sistema de calentamiento por mediode quemadores o. En un sistema de combustin, los fluidos son gases calientes que resultan de lacombustin del combustible y el aire. Pero despus de la combustin estos gases se pierden y sonexpulsados a la atmsfera.

Un ejemplo de estos sistemas son los automviles, la gasolina es el fluido de trabajo, cuando se mezcla en elcarburador con el aire la gasolina, hace una combustin en los cilindros, despus de lo cual estos sonexpulsados por medio del tubo de escape.

EL PROCESO DE LA ENERGA.

La energa existe en muchas formas, La energa mecnica esta asociada con objetos u operaciones quepueden ser vistas a simple vista. La energa trmica es energa asociada con el movimiento de las molculas.

La energa qumica se muestra a travs de una reaccin de los tomos y las molculas como ocurre en lacombustin. Hay energa asociada a partculas mas pequeas que los tomos como la energa elctrica, losrayos X y las ondas de radio.

Definicin de la energa y su relacin con el fluido de procesos.

En aplicaciones industriales, como el proceso de fluidos, energa puede ser definida como la capacidad de unmaterial para trabajar.


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En plantas industriales muchos componentes del sistema como mquinas son impulsadas por motoreselctricos energizados por energa elctrica. La energa elctrica tambin alimenta iluminacin y sistemassofisticados de instrumentacin y control. Las calderas y los sistemas de quemadores convierten la energaqumica en energa de combustin. En los procesos de fluido los fluidos de trabajo tienen la capacidad decontener energa y realizar un trabajo.

Tambin la energa puede ser clasificada como energa almacenada o energa en transmisin.

La energa almacenada esta se guarda en algunas sustancias o un sistema, la energa en transicin, que semanifiesta como trabajo, la energa en proceso es transferida de un medio a otro. Toda la energa entransicin comienza o termina como energa almacenada. Cuando la energa es almacenada en un sistemapor su posicin de dos o mas substancias o partculas, es llamada energa potencial. Cuando la energa esalmacenada en un sistema por su velocidad relativa de dos o mas partculas es llamada energa cintica.

Definicin de energa potencial, energa cintica y energa interna.

La energa potencial es esencialmente energa en posicin. La energa cintica es energa en movimiento y laenerga interna es la energa del movimiento de una sustancia.

Un liquido almacenado en un tanque puede ejemplificar la energa potencial. La presin tambin influye en la

energa potencial, en el fluido del proceso, incrementando la presin de un fluido se requiere de una adicinde energa. La energa potencial en un fluido presurizado aumentara la capacidad de trabajo al aumentar lapresin. Tal como la energa necesaria para bombear un fluido en un tanque elevado es mayor que para untanque a una altura mas baja.

Muchas aplicaciones de procesos usan energa potencial guardados en aire comprimido para operaractuadores de vlvulas de control y otros dispositivos de control y de instrumentacin. En muchos casos esutilizado un compresor de aire para aumentar la presin del aire. El aire a presin es almacenado hasta quees necesario. Una vez que el aire es liberado este se convierte energa cintica o en energa en movimiento.

La energa cintica es definida como energa en movimiento. La energa cintica es determinada por lavelocidad y la masa de la materia. Los movimientos mas rpidos del fluido, mueve una cantidad mayor de airey por consecuencia aumenta la energa cintica, esta por lo tanto es capaz de realizar una cantidad mayor detrabajo.

Hay ventaja de utilizar los generadores elctricos accionados por turbinas de vapor. La turbina utiliza vapor elflujo de vapor como fuente de energa, convirtiendo la energa cintica en vapor y de ah en movimientomecnico para hacer girar el generador.

La energa potencial asociada la fuerza gravitacional de la tierra y otros cuerpos nos da muchos ejemplos decmo la energa potencial es almacenada en los cuerpos. Por ejemplo una roca que resiste en una parte alta,cuando esta cae libremente cuando es empujada, justo antes cuando es empujada esta tiene una energapotencial.

La energa cintica es almacenada en un sistema de velocidades relativas de las partes que componen elsistema.

En este ejemplo una fuerza externa que es una energa fuera del sistema es utilizada para arrancar el

sistema. En este caso la energa que es utilizada para empujar la roca.

Para entender esto, la energa potencial y la energa cintica es mutuamente intercambiable, en el casoanterior la altura de la donde es arrojada la piedra, como la cada, el sistema pierde energa potencial perogana energa cintica conforme tiempo aumenta y la roca se acerca al suelo. La suma de la energa potencialy la energa cintica es idntica en todos los puntos a travs de la lnea de cada, pero las proporciones deenerga potencial y energa cintica cambian conforme la roca va cayendo.

Midiendo el paso en libras y la distancia en pies la energa almacenada en el sistema por causa de laelevacin ser medida en una unidad llamada en pies-libra.


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Ep = Energa potencial ft/lb

W = Peso del cuerpo

D = Distancia

La magnitud de energa cintica es proporcional a la masa y el cuadrado de la velocidad del objeto que tieneuna velocidad con respecto a otro objeto esto es:

Donde:

Ek= energa cintica ft/lb

M = Masa

V = velocidad del cuerpo ft/sg

Cuando es mas conveniente utilizar peso del cuerpo que la masa, la formula es:

Donde W es el peso del cuerpo.

Con estas ecuaciones se define el trabajo como la energa en transicin; esto es el trabajo es una transicinde la energa que ocurre son entre dos o mas formas de energa.

El trabajo tambin puede ser como la energa que se transfiere por la accin de la fuerza a travs de ladistancia:

Donde

Ewk = trabajo ft / lb

F = Fuerza

D = Distancia

En el caso del trabajo realizado contra la gravedad la fuerza es la misma que el peso del objeto o el cuerpo adesplazar.

La energa trmica asociada con sistemas de molculas, como la energa mecnica, tambin puede seralmacenada como energa en transicin. La energa trmica en transicin es llamada calor. La energatrmica es almacenada como energa interna y es definida como la energa almacenada en una sustancia oun sistema en una parte en movimiento de molculas o la fuerza de atraccin de las molculas.

En un proceso de fluido, la cantidad de energa interna contenida en los fluidos en el fluido es determinada porla actividad de las molculas del fluido.

La energa interna puede ser clasificada como energa potencial o energa cintica. Como energa potencial,es la energa asociado con las fuerzas de atraccin que existe entre las molculas. La magnitud de la energapotencial interna depende tanto de la masa de las molculas y la distancia promedio por la cual estnseparadas, comparando con la energa mecnica depende de la masa de los cuerpos y la distancia por la cuales separada. La fuerza de atraccin entre las molculas es mas grande en slidos, menos en los lquidos ysubstancias viscosas.


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El calor es energa trmica en transicin, como el trabajo, el calor es una transicin de la existencia de dos oms formas de energa. El flujo de calor solo es posible cuando existe una diferencia de temperaturas entredos objetos o dos regiones.

La temperatura es un reflejo de la cantidad de energa cintica que tiene un objeto una sustancia y esconsiderada como una propiedad de la materia. El movimiento o flujo de energa trmica o calor es atribuido ala energa del sistema, tambin atribuido a un componente del sistema. El movimiento de las molculas dentro

de un fluido, o en otra sustancia, aumenta si el calor de la misma incrementa.

MEDICIN Y TEMPERATURA.

La temperatura es la medida o cantidad de calor que contiene una sustancia.

La temperatura tambin puede ser descrita como un reflejo de la cantidad de energa cintica poseda por unobjeto o una sustancia, y es por lo tanto, un atributo o propiedad de las substancias.

Los valores de la temperatura son en ocasiones ocupados para describir, cuanto calor o fri tiene un fluido enun proceso.

Las cuatro escalas mas ocupadas en la industria de instrumentacin y control son la Fahrenheit, Celsius,

Rankine y Kelvin; estos se representan por las letras F, C R y K respectivamente, estas se utilizan para indicarsu relativa escala.

Desde 1945 tanto la escala Fahrenheit como la escala Celsius fueron basadas como dos escalas fciles deduplicar en sus puntos de referencia, el punto de congelamiento y el punto de evaporacin.

La temperatura en congelacin es una mezcla de una mezcla de agua y hielo que esta en equilibrio con el airesaturado a una presin de una atmsfera.

La temperatura de evaporaciones la temperatura a la que el vapor y el agua esta en equilibrio a una presinde una atmsfera (atm)

En la escala Fahrenheit el punto asignado al congelamiento es de 32 y el de ebullicin es de 212. En la escala

Celsius estos puntos son 0 para el congelamiento y 100 para la ebullicin.

En la Dcima conferencia de Pesos y Medidas en 1954 La escala Celsius fue redefinida como el punto tripledel agua, es decir la escala donde el agua poda estar en estado slido, liquido y gas en temperaturas de ungas ideal en una escala de temperatura.

El desarrollo de una escala de temperatura para el gas es basado en una medicin terica que comprende laconstante de volumen. Esto se refiere a la medicin de temperatura de un gas ideal y es representada por laecuacin:

Donde la presin es asociada con el triple punto del agua que es 273.16 y esta designado por Ptp Pordefinicin de un gas ideal, cualquier otra temperatura (T) puede se determinada por la medicin de latemperatura en esta relacin.

Diferencia entre escala Celsius y FAHRENHEIT.

La formula para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius es:

La formula para convertir de grados Celsius a Fahrenheit es:

Relacin de escalas entre Rankine, Kelvin Fahrenheit y CELSIUS.


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La escala Rankine y la escala Kelvin estn basadas principalmente en el cero absoluto, que es el punto dondetericamente no existe la actividad molecular.

CALOR Y TRANSFERENCIA DE CALOR.

El calor es la energa en transicin.

El calor es medido normalmente en la unidad llamada British ThermalUnit (Btu). Originalmente un Btu estaba

definido como la cantidad de calor necesaria para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit. Una unidadsimilar es la calora (Cal), la cual se define como la cantidad necesaria de calor para elevar un grado Celsiusun gramo de agua.

Aunque ambas medidas siguen vigentes pero las definiciones fueron abandonadas por un acuerdointernacional, el Btu y la calora son definidas por una unidad de energa llamada Joule, Se estableci lasiguiente relacin.

1 calora = 1 Watt - hora / 860

= 4.18605 joules

=3.0880 foot - pounds

1 Btu = 251.996 caloras

=778.26 foot - pounds

=1054.886 joules.

Transferencia de calor por conduccin, conveccin y radiacin.


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El flujo de calor o la transmisin de energa trmica de un cuerpo, sustancia o regin a otra, siempre tomalugar de una regin de alta temperatura a una regin de mas baja temperatura.

En termodinmica, la temperatura mas alta que tambin puede ser llamada la regin emisora, la temperaturamas baja puede ser la regin de recepcin.

Existen tres formas en que se realice la transmisin de calor, la conduccin y la radiacin son las principales

formas de transmisin de calor, la conveccin esta relacionada con una clase especial de proceso que mueveuna masa o un fluido de un lugar a otro.

Conduccin.

Es el flujo de calor a travs de la superficie de un conductor slido. El calor transferido a travs de las paredesde los tubos en una caldera es conduccin, El calor de una flama o una combustin de gases que pasa atravs de las paredes de un tubo es transferido de la mezcla de agua y vapor que fluye a travs de los tubos.

Otro concepto de la transferencia de calor en la cual el calor fluye de una regin de mas alta temperatura auna regin mas fra en la que hay contacto fsico entre las dos.

Radiacin.

La radiacin es la transmisin de calor por medio de ondas de energa, similares a las ondas de la luz. Laradiacin es diferente de la conduccin en que no se requiere de un medio para la transferencia de calor, sinembargo esta puede darse nicamente de forma directa y sin obstculos en la lnea de la seal entre lasustancia que emite el calor y la sustancia que recibe el calor transferido.

Conveccin.

La conveccin es la transferencia de calor que circulacin de un fluido que se mantiene caliente, Esta puedeser natural o forzada. La conveccin forzada ocurre cuando se utilizan bombas, ventiladores u otrosdispositivos causan el movimiento de los fluidos.

La conveccin natural ocurre cuando en las calderas cundo el calor es transmitido del deposito al super

calentador con la circulacin de gases de una rea a otra.

LAS TRES FASES DE LA MATERIA.

Las tres fases fundamentales de la materia fsicamente son 3 slido, liquido y gaseoso.

El estado fsico de una sustancia esta ntimamente ligado a la distancia que hay entre sus molculas. Lasmolculas que estn mas cercanas ente si son llamadas slidos, las que estn un poco mas separadas sonlos lquidos y las mas separadas son los gases. Cuando el flujo de calor de una sustancia no se refleja en uncambio de temperatura, se entiende que la energa esta siendo utilizada para incrementar la distancia entresus molculas de la sustancia y estn sufriendo un cambio de slido a liquido o de liquido a gas.

CALOR LATENTE Y CALOR SENSIBLE

El calor latente no causa un cambio de temperatura, en cambio el calor sensible si lo causa.

El flujo de calor no se refleja en un cambio de temperatura de una sustancia que esta en un proceso decambio de forma de estado a otro. Cuando el flujo de calor no se refleja en el cambio de temperatura, pero sien el cambio fsico de la sustancia, se entiende que el calor latente a sido agregado o retirado. El calor latenteaumenta la cantidad de energa potencial almacenada en una sustancia, pero esto no resulta en unincremento de la cantidad de energa cintica hasta que haya un cambio en el estado ocurra.


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La relacin entre temperatura y calor sensible es cuando el flujo de calor se refleja en un cambio de latemperatura ocurre cuando el calor sensible ha sido agregado a una sustancia. El calor sensible noincrementa la cantidad de energa potencial o cintica almacenada en la sustancia.

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MEDICION

DECISION

ACCION

84612488 sistemas en lazo cerrado y abierto

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