capÍtulo ii bases teÓricas - urbe
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CAPÍTULO II BASES TEÓRICAS
En este capítulo se desarrollan los aspectos teóricos en relación a la
investigación, donde se muestran los antecedentes consultados que
contribuyen de forma particular y puntual en el despliegue de las fases del
estudio por la relación que entre ellos existe; a su vez se presentan las
definiciones y características principales de la variable a controlar,
estableciendo las bases y criterios de importancia para el logro de los
objetivos propuestos. De igual forma y en el mismo sentido, para extender el
conocimiento se desglosa una definición de conceptos básicos. Para el cierre
de este capítulo, se esquematizan las referencias bibliográficas en todas sus
áreas y subáreas que las caracteriza.
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Investigaciones realizadas en años anteriores y relacionados a la
investigación en desarrollo proporcionan valiosa información con respecto a
sistemas de control automatizados, dosificación e químicos y por otra parte
con regulación de parámetros que afectan el equilibrio biológico y pueden
generar un impacto ambiental. Entre las diferentes investigaciones se tiene:
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En primer lugar, Carlos Javier Pérez (2012) desarrolló una investigación
titulada “Sistema de control difuso para la dosificación de química
antiincrustante en las plantas de inyección de agua” en la Universidad Dr.
Rafael Belloso Chacín, para optar al Título de Magister en Ingeniería de
Control y Automatización de Procesos. La presente investigación se encontró
enmarcada dentro de la modalidad de proyecto factible cuya propuesta
consistió en el diseño de un controlador difuso para la dosificación del
sistema de química antiincustante en el PIA BA-2-1.
Pérez desarrolló una investigación del tipo proyectiva o proyecto factible
en donde aplicó procesos como la exploración, descripción, explicación y
propuesta de alternativas de cambio; citando a Bavaresco y Sabino definió
también su investigación de campo y descriptiva; por último indicó que el
diseño de la misma era no experimental y transaccional.
Luego de establecer la metodología a emplear, procedió con la
investigación y mediante la herramienta toolbox IDEN de Matlab y obtuvo el
modelo del proceso, para realizar las simulaciones del sistema de control
difuso. El modelo que obtuvo fue un sistema de primer orden con una
aproximación de 96%, constante de tiempo t = 1,2765 y una ganancia K =
6,44. Para el diseño del controlador difuso creó las funciones de membrecía
para las entradas que se definen como el error y delta error, luego creó el
conjunto de reglas que determinan el conocimiento del funcionamiento del
controlador difuso.
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Por último, mediante la herramienta simulink de Matlab simuló el sistema
en lazo cerrado con el controlador difuso, con diferentes condiciones de
entradas, obteniendo un resultado satisfactorio, ya que el error en estado
estacionario tendió a ser cero rápidamente. De igual forma realizó
simulaciones utilizando perturbaciones bruscas donde el controlador tomó
acción para corregir el error.
Esta investigación fue un aporte significativo en el empleo de las
aplicaciones y herramientas IDENT y Simulink del lenguaje de programación
Matlab, ya que a través de la misma se ejemplifica y da la comprensión de la
obtención del modelo matemático y la simulación del mismo en donde es
posible establecer diferentes condiciones de evaluación, que permitan una
visible comparación entre los resultados obtenidos para un mismo proceso
en análisis.
Así mismo, María José Brito (2011) realizó un estudio de investigación
titulado “Simulador basado en redes neuronales para el control de la calidad
del efluente proveniente del proceso de lodos activos” en la Universidad Dr.
Rafael Belloso Chacín, para optar al Título de Magister en Ingeniería de
Control y Automatización de Procesos, en la cual desarrolló un simulador
basado en redes neuronales para el control de la calidad del efluente
proveniente del proceso de lodos activados. Los autores que consultó fueron
Queipo, Canelon y Guevara (2000), Kosko (1992) y Flores R, y Fernández
(2008) entre otros.
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Brito utilizó una metodología propuesta de un modelo operativo viable, de
tipo descriptiva, de lo cual empleó un diseño experimental. La investigación
la desarrolló en cinco etapas: en la primera estudió el proceso de tratamiento
de aguas residuales de la planta en general haciendo énfasis en el
tratamiento biológico (lodos activados); en la segunda realizó un estudio
minucioso del proceso de evaluación de la calidad del efluente que llevan
actualmente en la PTAR; en la tercera identificó los parámetros necesarios
para realizar la respectiva evaluación, los cuales son nueve en total (DBO5,
SST, OD, NT, FT, Turbiedad, CF, pH y Temperatura); en la cuarta desarrolló
el algoritmo de control, mediante redes neuronales para la evaluación de la
calidad y en la quinta desarrolló el simulador del control neuronal.
Esta investigación la conllevó al uso de una red tipo propagación inversa o
bakpropagation para sistemas no lineales, fue la mas adecuada con una
configuración 9:32:42:1, es decir, nueve entradas (parámetros de calidad) y
una sola salida (nivel de calidad del agua), la cual se representó con cinco
opciones (optima, buena, dudosa, inadecuada y pésima), tuvo 32 neuronas
para la primera capa y 12 neuronas para la segunda, que le permitió estimar
la calidad del efluente, obteniendo así un margen de error de 0,03515 para el
mejor rendimiento de este importante proceso.
El aporte de esta investigación para el presente trabajo se considera
relevante ya que orienta a la ejecución y desarrollo de cada una de las fases
en base a tres pasos importantes, el primero de descripción del proceso
actual enfatizando en el requerimiento de desinfección; el segundo de
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análisis y evaluación de la calidad del agua obtenida y que se desea obtener;
y el tercero de la identificación de los parámetros involucrados en el proceso
para la realización de las evaluaciones pertinentes.
Por otra parte, Dávila (2005) realizó un trabajo de investigación titulado
“Sistema de Supervisión y Control para regular el proceso de la planta de
tratamiento de efluentes del Complejo Petroquímico el Tablazo”, en la
Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín, para optar al Título de Magister en
Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. El objetivo de esta
investigación fue diseñar un sistema supervisorio de control basado en redes
ControlNet, necesario para la regulación del proceso de la Planta de
Tratamiento de Efluentes de Pequiven El Tablazo.
Para la construcción de las bases técnicas Dávila siguió los pasos
necesarios de acuerdo a las exigencias de los entes involucrados en el
proyecto, la cual constó de cuatro pasos: 1. Definir el problema, 2. Revisar la
situación actual, 3. Buscar y crear la documentación necesaria, 4. Construir
el diseño final.
Adoptó una metodología que surge de los criterios por Hernández,
Fernández y Baptista, Bavaresco y Chávez y se ubicó en una investigación
del tipo comparativa, descriptiva, puesto que su finalidad era examinar un
tema o problema de investigación poco estudiado o que no había sido
abordado antes y por lo cual logró obtener toda la información necesaria para
la realización de la misma, dejando así desarrollada la investigación en
estudio. Los resultados que obtuvo arrojaron nuevas alternativas para que
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futuros ingenieros, amplíen sus conocimientos utilizando los sistemas de
supervisión de control para la regulación de procesos industriales.
El aporte de esta investigación contribuyó con el desarrollo del trabajo en
estudio fortaleciendo los fundamentos metodológicos en base a diseño y tipo
de investigación para temas con poca información de análisis.
Finalmente, Juan Carlos Soto (2004) desarrolló una “Propuesta de un
Sistema de Control de Automatización para la Inyección de Aditivos
Químicos en el Tratamiento de Agua a las Calderas de la Planta
Termoeléctrica Ramón Laguna de ENELGEN” en la Universidad Dr. Rafael
Belloso Chacín, para optar al Título de Magister en Ingeniería de Control y
Automatización de Procesos, donde su estructura metodológica para la
investigación se caracterizó según el tipo descriptiva, según su propósito
como aplicada, según la recolección de datos como prospectiva, según la
evolución del fenómeno como longitudinal bajo la modalidad in situ o de
campo enmarcado como proyecto factible; por otra parte, el diseño de la
investigación lo tipificó como no experimental longitudinal panel.
Soto estableció como población objeto de estudio un total de cinco
calderas de generación de las cuales obtuvo una muestra de estudio de dos
calderas. Soto no pudo establecer una relación entre las salidas con las
entradas de los parámetros y variables controlados en el proceso, razón por
la cual planteó a la empresa ENELGEN adicional a la propuesta de control,
establecer puntos estratégicos en las tomas de muestras que permitiesen
obtener la relación entre las entradas y las salidas. De tal manera que se le
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hizo necesario la obtención de las ecuaciones matemáticas que regían el
proceso de trazabilidad para lograr diseñar el modelado del proceso y
posteriormente diseñar el sistema de control automatizado con la
instrumentación adecuada conjuntamente con los respectivos algoritmos de
control.
En concordancia con todo lo mencionado, utilizó como tipo de control de
nivel en los tanques de dilución un control fijo on/off y para la inyección de los
aditivos químicos al proceso utilizó un control de relación entre el nivel de los
tanques de dilución y los parámetros a controlar en el proceso.
En este último trabajo de investigación mencionado, se observo el
desarrollo de ecuaciones matemáticas para el modelado del proceso y
diseño del sistema de control automatizado teniendo en cuenta la poca o
nula relación que existía entre las entradas y salidas, como es el caso del
presente trabajo para el control del crecimiento orgánico lo cual directamente
no puede ser evaluado sino a través de variables distintas en base a
inyección de productos desinfectantes que promueven un control biológico.
2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
El marco teórico tiene la función de orientar hacia la organización de los
datos y los hechos significativos para descubrir las relaciones del problema
con la teoría existente; por otra parte, evita que el investigador aborde
temáticas que dado el estado del conocimiento carecen de información
científica; también permite guiar en la selección de los factores y variables
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que se estudian en la investigación, así como cada una de las estrategias de
medición, su validez y confiabilidad; por último, y no menos importante
previene de posibles factores de confusión o variables extrañas que
potencialmente podrían causar sesgos no deseados.
El soporte técnico del tópico citado en esta investigación se presenta a
continuación para su mayor comprensión:
Modelado Matemático
Para obtener un buen modelo matemático empleando técnicas de
identificación, se debe alimentar el sistema con una señal de entrada de
frecuencia variable que lo excite en su ancho de banda, y posteriormente,
con la ayuda de herramientas computacionales, se procesan las señales de
entrada y salida hasta obtener el modelo que represente en mejor forma la
dinámica del sistema.
Sin embargo, no siempre el interesado dispone de las herramientas
computacionales ni de tarjetas de adquisición de datos indispensables para
la toma de variables de entrada y salida, por lo que se recurre a formas
manuales no muy precisas pero válidas para lograr un modelo aceptable.
La función de transferencia de un sistema se define como la relación entre
la salida y la entrada del sistema en el dominio de Laplace asumiendo
condiciones iniciales nulas. Basándose en la definición de la función de
transferencia, se aplica una señal escalón al sistema, se grafica la salida, y
se halla las ecuaciones de cada variable en el dominio del tiempo, se llevan
22
al dominio de Laplace, y la relación salida – entrada será el modelo
matemático del mismo. (La Catarina, Universidad de las Américas, 2000,
p24)
Sistema de Control de Procesos
En la mayoría de las plantas de proceso existen varias cientos variables
que se deben mantener en algún valor determinado y con este procedimiento
de corrección se requerirá una cantidad tremenda de operarios, por ello,
sería preferible realizar el control de manera automática, es decir, contar con
instrumentos que controlen las variables sin necesidad de que intervenga el
operador. Esto es lo que significa el control automático de procesos. Para
lograr este objetivo se debe diseñar e implementar un sistema de control.
(Smith y Corripio, 1991)
En la industria de procesos las perturbaciones son la causa más común de
que se requiera el control automático en control automático del proceso; si no
hubiera alteraciones, prevalecerían las condiciones de operación del diseño y
no se necesitaría supervisar continuamente el proceso.
El objetivo del sistema de control automático de proceso es utilizar la
variable manipulada para mantener a la variable controlada en el punto de
control a pesar de las perturbaciones. (Smith y Corripio, 1991)
Algunas de las razones por las cuales es importante mantener la variable
controlada en el punto de control a pesar de las perturbaciones a través de
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un control automático son producto de la experiencia industrial, tal vez no
sean las únicas, pero sí las más importantes:
- Evitar lesiones al personal de la planta o daño al equipo. La seguridad
siempre debe estar en la mente de todos, ésta es la consideración
más importante.
- Mantener la calidad del producto (composición, pureza, color, entre
otros) en un nivel continuo y con un costo mínimo.
- Mantener la tasa de producción de la planta al costo mínimo.
Por lo tanto, se puede decir que las razones de la automatización de las
plantas de proceso son proporcionar un entorno seguro y a la vez mantener
la calidad deseada del producto y alta eficiencia de la planta con reducción
de la demanda de trabajo humano. (Smith y Corripio, 1991).
Componentes Básicos de un Sistema de Control
Los componentes básicos de un sistema de control se pueden describir
mediante:
- Objetivos de control.
- Componentes del sistema de control.
- Resultados o salidas.
La relación básica entre estos tres componentes se ilustra en la Figura 1.
En términos más técnicos, los objetivos se pueden identificar como entradas,
o señales actuantes y los resultados también se llaman salidas, o variables
controladas y en general, el objetivo de un sistema de control es controlar las
24
salidas en alguna forma prescrita mediante las entradas a través de los
elementos del sistema de control. (Kuo, 1996, p2).
Gráfico 1. Componentes básicos de un sistema de control. Kuo (1996)
Por otra parte Smith y Corripio, 1991 clasifican los componentes básicos
de un sistema de control como se muestra a continuación:
- Sensor, que también se conoce como elemento primario.
- Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario.
- Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.
- Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de
control aunque no siempre. Otros elementos finales de control
comúnmente utilizados son las bombas de velocidad variable, los
transportadores y los motores eléctricos. (Smith y Corripio, 1991)
La importancia de los componentes de un sistema de control estriba en
que realizan las tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo
sistema de control, las cuales son:
- Medición (M): la medición de la variable que se controla se hace
generalmente mediante la combinación de sensor y transmisor.
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- Decisión (D): con base en la medición, el controlador decide qué hacer
para mantener la variable en el valor que se desea.
- Acción (A): como resultado de la decisión del controlador se debe
efectuar una acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por
el elemento final de control. (Smith y Corripio, 1991)
Estas tres operaciones, M, D y A son obligatorias para todo sistema de
control. En algunos sistemas, la toma de decisión es sencilla, mientras que
en otros es más compleja. Para el diseño de un sistema de control se debe
asegurar que las acciones que se emprendan tengan su efecto en la variable
controlada, es decir, que la acción emprendida repercuta en el valor que se
mide; de lo contrario el sistema no controla y puede ocasionar más perjuicio
que beneficio. (Smith y Corripio, 1991)
Estrategias de Control
El objetivo principal del diseño de un sistema de control es poder
mantener la variable controlada en el punto de control. Cuando se logra
esto, se debe ajustar el controlador de manera que se reduzca al mínimo la
operación de ensayo y error que se requiere para mantener el control. Por lo
cual, es necesario conocer las características del proceso que se va a
controlar, una vez conocidas, se puede diseñar el sistema de control y
obtener las características del controlador que mejor combine con la del
proceso.
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Sistema de Control de Lazo Cerrado o por Retroalimentación.
Los circuitos de control por retroalimentación es el esquema de control
que aplicó por primera vez James Watt hace casi 200 anos, para controlar un
proceso industrial. Un sistema de control por retroalimentación es la situación
en la cual se conecta el controlador al proceso; el controlador compara el
punto de control (la referencia) con la variable controlada y determina la
acción correctiva. (Smith y Corripio, 1991).
La ventaja del control por retroalimentación consiste en que es una técnica
muy simple, que compensa las perturbaciones. Cualquier perturbación puede
afectar a la variable controlada, cuando ésta se desvía del punto de control,
el controlador cambia su salida para que la variable regrese al punto de
control. El circuito de control no detecta qué tipo de perturbación entra al
proceso, únicamente trata de mantener la variable controlada en el punto de
control y de esa manera compensar cualquier perturbación.
La desventaja del control por retroalimentación estriba en que únicamente
puede compensar la perturbación hasta que la variable controlada se ha
desviado del punto de control, esto significa que, la perturbación se debe
propagar por todo el proceso antes de que la pueda compensar el
controlador.
Los sistemas de control por retroalimentación se denominan también
sistemas de control en lazo cerrado. En un sistema de control en lazo
cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, que es la
diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que puede
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ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus
derivadas y/o integrales), a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema
a un valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el
uso de una acción de control realimentado para reducir el error del sistema.
(Ogata, 1998, p7).
Sistema de Control de Lazo Abierto
Los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control se
denominan sistemas de control en lazo abierto. En otras palabras, en un
sistema de control 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 de referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le
corresponde una condición operativa fija; como resultado, la precisión del
sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un
sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada. El control en
lazo abierto solo se usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y
si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos
sistemas no son de control realimentado. Cualquier sistema de control que
opere con una base de tiempo es en lazo abierto. (Ogata, 1998, p7).
Control Automático
El control automático ha desempeñado una función vital en el avance de la
ingeniería y la ciencia. Este control tiene como objetivo mantener en
28
determinado valor de operación las variables del proceso como lo son
presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las industrias de
proceso. (Ogata, 1998, p1).
Los procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren
cambios y si no se emprenden acciones pertinentes, las variables
importantes del proceso, es decir, aquellas que se relacionan con la
seguridad, la calidad del producto y los índices de producción, no cumplirán
con las condiciones de diseño (Smith y Corripio, 1991, p17).
A través de controladores (instrumentos) los sistemas de control
automático son capaces de medir en modo continuo el valor o la condición
de la variable, que actúan automáticamente sobre el equipo para corregir
cualquier desviación respecto a un valor previamente ajustado.
El tipo de control que se use debe decidirse con base a la naturaleza de la
planta y las condiciones operacionales, incluyendo consideraciones tales
como seguridad, costo, disponibilidad, confiabilidad, precisión, peso y
tamaño.
Acciones de Control
La forma en la cual el controlador automático produce la señal de control
se llama “acción de control”. Los controladores automáticos comparan el
valor real de la salida de la planta con la entrada de referencia, lo cual
determina la desviación con la que el controlador debe producir una señal de
control que reduzca la desviación.
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Tal que los controladores industriales se clasifican de acuerdo a la acción
de control que realicen, a continuación se describen algunos de ellos:
Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado.
En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo
tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendido
y apagado. El control de dos posiciones o de encendido y apagado es
relativamente simple y económico, razón por la cual su uso es extendido en
sistemas de control industriales como domésticos. Smith y Corripio (1991).
Acción de control de dos posiciones con banda muerta
La banda muerta en el control encendido – apagado es usada con
frecuencia para evitar una operación demasiado frecuente del mecanismo de
encendido y apagado. La brecha diferencial o banda muerta es el rango en el
que debe moverse la señal de error antes de que ocurra la compensación.
Smith y Corripio (1991).
Acción de control Proporcional.
El controlador proporcional es en realidad un amplificador con ganancia
ajustable. Este control reduce el tiempo de subida, incrementa el sobretiro y
reduce el error de estado estable. Smith y Corripio (1991)
Para una acción de control proporcional la relación entre la salida del
controlador u(t) y la señal de error e(t) es:
u(t) = Kp e(t)
donde Kp es la ganancia proporcional.
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Acción de control Integral.
La acción de control integral se denomina control de reajuste (reset). En
un controlador integral la relación entre la salida del controlador u(t) y la
señal de error e(t) es:
t
i
i
teKtu
teKdt
tdu
0
)()(
)()(
donde Ki es una constante ajustable.
Si se duplica el valor de e(t), el valor de u(t) varía dos veces más rápido.
Para un error de cero, el valor de u(t) permanece estacionario. Smith y
Corripio (1991).
Acción de Control Proporcional Integral.
El control proporcional integral hace un descenso en el tiempo de subida,
incrementa el sobre impulso y el tiempo de estabilización, y tiene el efecto de
eliminar el error de estado estable pero empeorará la respuesta transigente.
El tiempo integral ajusta la acción de control, mientras que un cambio en el
valor de la ganancia afecta las partes integral y proporcional de la acción de
control. El inverso del tiempo integral se denomina velocidad de reajuste, la
representa la cantidad de veces por minuto que se duplica la parte
proporcional de la acción de control. La velocidad de reajuste se mide en
términos de las repeticiones del mismo. Smith y Corripio (1991)
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Acción de Control Proporcional Derivativa.
El control proporcional derivativo reduce el sobre impulso y el tiempo de
estabilización, por lo cual tendrá el efecto de incrementar la estabilidad del
sistema mejorando la respuesta del sistema. La relación de un control
proporcional derivativo entre la salida u(t) y la señal de error e(t) está dada
por:
dttdeTKteKtu dpp)()()(
en donde Kp es la ganancia proporcional y Td es una constante denominada
tiempo derivativo.
La acción de control derivativa, en ocasiones llamada control de velocidad,
ocurre donde la magnitud de la salida del controlador es proporcional a la
velocidad de cambio de la señal de error. El tiempo derivativo Td es el
intervalo de tiempo durante el cual la acción de la velocidad hace avanzar el
efecto de la acción proporcional. La acción de control derivativa tiene un
carácter de previsión. Sin embargo, es obvio que una acción de control
derivativa nunca prevé una acción que nunca ha ocurrido.
Aunque la acción de control derivativa tiene la ventaja de ser de previsión,
tiene las desventajas que amplifica las señales de ruido y puede provocar un
efecto de saturación en el actuador. Smith y Corripio (1991)
Acción de Control Proporcional Integral Derivativa.
La combinación de una acción de control proporcional, una acción de
control integral y una acción de control derivativa se denomina acción de
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control proporcional integral derivativa. Esta acción combinada tiene las
ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. Smith y
Corripio (1991)
La siguiente tabla resume las características de controles mencionados.
Cuadro 2. Características de Control Proporciona – Integral – Derivativo
Tipo de Control
Tipo de Subida
Sobre impulso
Tiempo de estabilización
Error en estado estable
Proporcional Decrece Crece Cambio menor Decrece Proporcional
– Integral Decrece Crece Crece Se elimina
Proporcional – Derivativa
Cambio menor Decrece Decrece Cambio
menor Smith y Corripio (1991)
Las correlaciones de la tabla mostrada no son muy precisas, porque las
ganancias proporcionales, integrales y derivativas son dependientes entre sí,
por lo cual esta tabla solo debe ser tomada como una referencia.
Control de Relación
El objetivo de un control de relación es controlar el flujo o el volumen de
una variable en función de otra. Esta técnica de control, se aplica por lo
general a dos cantidades de flujo, que deben mantener una relación prefijada
por el usuario.
33
Por lo general se tiene una línea de flujo de un fluido libre y sobre esta se
mide la cantidad de fluido existente en velocidad o volumen, este valor se
envía a un controlador que contiene un factor multiplicador o un divisor, cuya
señal actúa sobre la válvula de control de otra línea con flujo proporcional al
valor deseado (flujo controlado).
El flujo libre se llama variable independiente y el flujo controlado se llama
variable dependiente. Para este tipo de estrategia de control, es muy
importante tomar las siguientes consideraciones:
- Ambas señales deben tener las mismas unidades.
- Ambas señales deben estar linealizadas o en forma cuadrática
- El rango de los controladores deben ser compatibles con las señales
recibidas de un 0% a un 100%.
- Tomar en cuenta que en la medición de fluidos la linealidad se pierde
en los extremos de medición.
- Las características de los fluidos deben ser muy similares.
Control Discreto.
Un sistema de control en tiempo discreto son aquellos sistemas en los
cuales una o más de las variables pueden cambiar solo en valores discretos
de tiempo. Estos instantes pueden especificar los tiempos en los que se
extraen los datos de la memoria de una computadora digital. El intervalo de
tiempo entre estos dos instantes discretos se supone que es lo
suficientemente corto de modo que el dato para el tiempo entre estos se
puede aproximar mediante una interpolación sencilla.
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Los sistemas de control en tiempos discretos difieren de los sistemas de
control en tiempo continuo en que las señales para los primeros están en
forma de datos muestreados o en la forma digital. Si en el sistema de control
está involucrada una computadora digital como un controlador, los datos
muestreados se deben convertir a los digitales.
2.2 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
Biocidas
Los biocidas pueden ser sustancias químicas sintéticas, naturales o de
origen biológico o de origen físico y están destinados a destruir,
contrarrestar, neutralizar, impedir la acción o ejercer un control de otro tipo
sobre cualquier microorganismo considerado nocivo para el hombre. Por lo
general estos productos actúan a nivel de la membrana celular del
microorganismo, penetrándola y destruyendo los sistemas que permiten vivir
al microorganismo.
Debe tener un amplio espectro de actividad, es decir, debe cubrir una
amplia gama de microorganismos (bacterias, virus y hongos); Efectivo a baja
concentración: Mientras más baja es la dosis, más económico resulta el
tratamiento; Efectivo en un amplio rango de pH; Solubles en agua;
Compatible con otras especies químicas en el medio; Alta persistencia: Debe
ser efectivo a través del tiempo; Fácil de neutralizar: Debe poseer
mecanismos desactivadores para su posterior neutralización; Baja toxicidad
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humana: No debe ser perjudicial en su manipulación segura por parte del
operador.
Coliformes fecales
Se define como coliformes en el suministro de agua es un indicio de que el
suministro de agua puede estar contaminado con aguas negras u otro tipo de
desechos en descomposición. Generalmente, las bacterias coliformes se
encuentran en mayor abundancia en la capa superficial del agua o en los
sedimentos del fondo.
Los niveles recomendados de bacterias coliformes fecales son
importantes, puesto que la contaminación que se desea habitualmente
controlar es la de origen humano. La prueba de coliformes totales y fecales
también se utiliza para determinar la calidad bacteriológica de los efluentes
de los sistemas de tratamiento de aguas servidas.
Controlar
Es medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la variable
manipulada al sistema para corregir o limitar una desviación del valor medido
a partir de un valor deseado. (Ogata, 1998, p2)
Control de Proceso Multivariable
Procesos de múltiples entradas y múltiples salidas (MEMS) (MIMO por sus
siglas en ingles).
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Control realimentado
El control realimentado se refiere a una operación que, en presencia de
perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y
alguna entrada de referencia y lo continúa haciendo con base en esta
diferencia. Aquí sólo se especifican con este término las perturbaciones
impredecibles, dado que las perturbaciones predecibles o conocidas siempre
pueden compensarse dentro de sistema. (Ogata, 1998, p3)
Control Regulador
Son los sistemas diseñados para compensar las perturbaciones. (Smith y
Corripio, 1991).
Desinfección
La desinfección del agua para uso humano tiene por finalidad la
eliminación de los microorganismos patógenos contenidos en el agua que no
han sido eliminados en las fases iniciales del tratamiento del agua.
La desinfección del agua es necesaria como uno de los últimos pasos en
la planta de tratamiento de agua potable, para prevenir que esta sea dañina
para nuestra salud. Muchas veces, tratándose de agua de manantiales
naturales o de pozo, la desinfección es el único tratamiento que se le da al
agua para obtener agua potable.
La desinfección puede hacerse por medios químicos o físicos.
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Lógica Difusa
La lógica difusa o lógica heurística se basa en lo relativo de lo observado.
Este tipo de lógica toma dos valores aleatorios, pero contextualizados y
referidos entre sí. La lógica difusa se utiliza cuando la complejidad del
proceso en cuestión es muy alta y no existen modelos matemáticos precisos,
para procesos altamente no lineales y cuando se envuelven definiciones y
conocimiento no estrictamente definido (impreciso o subjetivo).
Perturbación
Una perturbación es una señal que tiende a afectar negativamente el valor
de las salidas de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema
se denomina interna, en tanto que una perturbación externa se produce fuera
del sistema y es una entrada. (Ogata, 1998, p3). Es el hecho en el que
cualquier variable ocasiona que la variable de control se desvíe del punto de
control. (Smith y Corripio, 1991).
Plantas
Una planta puede ser un equipo, tal vez un conjunto de las partes de una
máquina que funcionan juntas, el propósito de la cual es ejecutar una
operación particular. (Ogata, 1998, p2).
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Procesos
El diccionario Merriam-Webster define un proceso como una operación o
un desarrollo natural progresivamente continuo, marcado por una serie de
cambios graduales que se suceden uno al otro en una forma relativamente
fija y que conducen a un resultado o propósito determinados; o una
operación artificial o voluntaria progresiva que consiste en una serie de
acciones o movimientos controlados, sistemáticamente dirigidos hacia un
resultado o propósito determinado. Se llama proceso a cualquier operación
que se va a controlar. (Ogata, 1998, p3).
Servocontrol
Son los sistemas de control que han sido diseñados con el propósito de
que la variable controlada se ajuste al punto de control. (Smith y Corripio,
1991).
Sistemas
Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y
realizan un objetivo determinado. Un sistema no necesariamente es físico. El
concepto de sistema se aplica a fenómenos abstractos y dinámicos, tales
como los que se encuentran en la economía. Por tanto, la palabra sistema
debe interpretarse como una implicación de sistemas físicos, biológicos,
económicos y similares. (Ogata, 1998, p3)
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Variable Controlada
Es la cantidad o condición que se mide y controla. Por lo común la variable
controlada es la salida (el resultado) del sistema. (Ogata, 1998, p2). Es la
variable que se debe mantener o controlar dentro de algún valor deseado.
(Smith y Corripio, 1991).
Variable Manipulada
Es la cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor
de la variable controlada. (Ogata, 1998, p2). Es la variable que se utiliza para
mantener a la variable controlada en el punto de control (punto de fijación o
de régimen). (Smith y Corripio, 1991).
40
2.3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Cuadro 3. Referencias Bibliográficas
Objetivos Específicos Variable Áreas Sub-áreas
Describir el proceso de tratamiento de efluentes
Sistema de Control de Inyección de
Hipoclorito de Sodio en el Tratamiento de
Efluentes.
Proceso de Tratamiento de Efluentes:
- Tratamiento Biológico
Desinfección Coliformes Fecales Coliformes Totales
Determinar los parámetros de operabilidad de inyección del Hipoclorito de Sodio
Inyección de Hipoclorito de Sodio Cloro Residual Libre
Obtener el modelo matemático del sistema de inyección en base a la estrategia de control que mejor se ajuste
Modelo Matemático Estrategia de Control
Evaluar el sistema de control propuesto para la inyección de Hipoclorito de Sodio en el tratamiento de efluentes
Sistema de Control Tiempo de Respuesta Estabilidad
Programar en PLC el sistema de control propuesto para la inyección de Hipoclorito de Sodio en el tratamiento de efluentes
Programación de PLC
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