electronica aplicada y control

Capítulo 1

Ingeniería de Control

1.1. El porqué de la in-

geniería de control

La necesidad de resolver problemasemergentes de la sociedad y los centrosde producción o la búsqueda de nue-vos conocimientos son el motor que per-mitió el avance de la tecnología con elplanteamiento de nuevas teorías y susaplicaciones prácticas.La producción en masa y la preci-

sión son de echo en la era industrial,el motor que impulso la Ingeniería de

Control. Entre los pri-meros dispositivos de control se puedemencionar sistemas de regulación delreloj y mecanismos para mantener mo-linos de viento apuntando en direcciónfavorable al viento. Son ejemplos, de unimpulso acelerado en la teoría controlse produjo durante la revolución indus-trial. En ese momento, se desarrollaronmáquinas que mejoran en gran medi-da la capacidad de convertir las mate-rias primas en productos que bene�cien

a la sociedad. Sin embargo, las máqui-nas asociadas, como las de vapor, ma-nejaban grandes cantidades de energíay de pronto se vio la necesidad que es-te poder tenía que ser controlado pa-ra operar de forma segura y e�ciente.Un acontecimiento importante en estemomento fue la invención del goberna-dor elevado de Watt. Este dispositivoregula la velocidad de un motor de va-por por el estrangulamiento del �ujo devapor de agua. Las guerras mundialestambién dieron lugar a muchos avancesen la ingeniería de control. Algunos deellos estaban asociados con los sistemasde orientación, mientras que otros esta-ban relacionados con los requisitos defabricación mejorados. El período en-tre los años 60 y los años 70 tambiénfue un despegue de la evolución de con-trol. A �nales del siglo XX, el control seha convertido en un elemento omnipre-sente de la sociedad moderna. Prácti-camente todos los sistemas con los quese entra en contacto con se basa en lossistemas de control ahora más so�stica-dos. Los ejemplos van desde productospara el hogar tan simples como acon-dicionadores de aire, termostatos en loscalentadores de agua, etc. a los siste-

1

2 CAPÍTULO 1. INGENIERÍA DE CONTROL

mas más so�sticados, como el coche dela familia que cuenta con cientos de la-zos de control y sistemas de gran esca-la como las plantas químicas, alimen-ticias, de material de construcción, ylos procesos de fabricación, etc. La re-alimentación La realimentación del co-nocimiento como signo de aprendizajecontinuo tiene un ámbito de universali-dad en la naturaleza y de la misma ma-nera en la relación e interacción de lossistemas en forma general y una largahistoria que comenzó con el deseo tem-prano de los seres humanos para apro-vechar los materiales y las fuerzas de lanaturaleza para su propio bene�cio. Enun sistema o proceso se pueden identi-�car fenómenos que los denominaremosparámetros o variables de proceso queuna vez cuanti�cados pueden propor-cionarnos información acerca del mismoproceso y poder tomar alguna decisiónsi fuera necesario. La retroalimentaciónde los parámetros o variables de proce-so es fundamental para el monitoreo ycontrol de los sistemas que pueden serbiológicos, de comunicación, economíasnacionales y las interacciones, inclusohumanos. De hecho, si se piensa dete-nidamente, el ?control? de una forma uotra, aparece en todos los aspectos de lavida. En este contexto, la ingeniería decontrol tiene que ver con el diseño, im-plementación y mantenimiento de estossistemas. En efecto, para llevar a caboel control con éxito hay que combinarmuchas disciplinas, incluyendo el mo-delado (para capturar la dinámica sub-yacente del proceso), la tecnología desensores (para medir el estado del siste-ma), actuadores (para aplicar medidascorrectivas en el sistema) , comunica-ciones (para transmitir datos), la infor-mática (para llevar a cabo la compleja

tarea de cambiar los datos medidos enacciones apropiadas), y la interconexión(para permitir que la multitud de los di-ferentes componentes de un sistema decontrol se comuniquen para hablar eluno al otro). De�nición Se puede de�nircomo la ingeniería de control el área delas ingenierías que se encarga del diseñode las leyes de control basados en mo-delos de acuerdo a la lógica y dinámicade los sistemas físicos que permiten lle-var los estados y los mismos sistemasen valores requeridos para el proceso,y es en esencia herramienta fundamen-tal en la automatización de los procesosDiseño de Sistemas de Control El Dise-ño de sistemas de control en la prácti-ca requiere un esfuerzo cíclico en el quese itera entre modelado, diseño, simu-lación, prueba y puesta en marcha. Eldiseño del sistema de control tambiéntiene varias formas de ser estructuradoy cada uno requiere de un enfoque lige-ramente diferente. Un factor que in�u-yente es el económico pero en algunoscasos esto no es una prioridad como porejemplo los proyectos como el aluniza-je del hombre que tenía por objeto unámbito de investigación que quizá en elfuturo tenga un aprovechamiento parael bene�cio del ser humano. Aunque elcosto es siempre una consideración, pa-ra el tipo de diseño del controlador es lanecesidad, los requerimientos del proce-so, las consideraciones técnicas, la �a-bilidad o con�anza y los problemas deseguridad lo que prioriza y establece loslineamientos que se han de tomar en eldiseño. Por otro lado, si el diseño delos sistemas de control está motivadopor el componente económico o comer-cial, se consideran diferentes situacio-nes dependiendo de si el controlador esun pequeño subcomponente de un pro-

1.1. EL PORQUÉ DE LA INGENIERÍA DE CONTROL 3

ducto comercial más grande (tal comoel control remoto de un juguete) o si esparte de un proceso de fabricación (porejemplo, el controlador de temperatu-ra de un horna de pani�cación indus-trial). En el primer caso, se debe con-siderar el costo de mismo controladorincluido en el producto que por lo ge-neral signi�ca que hay una importanteprima en el precio y por lo tanto unose ve obligado a usar controladores mássimples y por lo tanto más económicos.En el segundo caso, se puede general-mente permitirse controladores muchomás complejos; propiedad que mejoranel proceso de fabricación signi�cativa-mente y por lo tanto también el valordel producto manufacturado. En todasestas situaciones, el ingeniero de controlse desenvuelve en el ciclo de desarrollo yoperación del sistema de control, comolo es: el diseño inicial, la puesta en mar-cha y ajuste, la mejora y actualización; además si fuera necesario el rediseñoo la reingeniería por fallos o nuevos re-querimientos de diseño lógico como loson los estudios forenses En el diseñoinicial, el ingeniero de control tambiénllamado integrador se enfrenta al iniciode un proceso y por lo tanto, puede di-rigir el desarrollo y la misma �losofía defuncionamiento del sistema o los siste-mas, esto incluye, asegurar que el dise-ño global tome en cuenta las cuestionesde control posteriores. Con demasiadafrecuencia, los sistemas y las plantasson diseñados en base a consideracionesde estado estacionario y no es enton-ces de extrañar que las di�cultades defuncionamiento puedan aparecer poste-riormente por que no se tomó en cuentaestados transitorios. Parte importantedel control es la estabilidad y el segui-miento de la referencia por ello en el

inicio de un diseño es importante con-tar con un amplio conocimiento de lasnecesidades del proceso. Una vez quela arquitectura básica de un sistema decontrol está planteada viene la fase deajuste (en algún caso denominado cali-brado o puesta en marcha) del sistemade control para cumplir con el rendi-miento requerido y las especi�cacioneslo mejor posible. Esta fase requiere unprofundo conocimiento de principios deretroalimentación para asegurar que lapuesta a punto del sistema de controlse lleva a cabo en una manera conve-niente, segura y satisfactoria. Una vezque el sistema está funcionando, enton-ces el trabajo del ingeniero de controlse convierte en una de mantenimientoy re�namiento. La motivación para elre�namiento puede venir de muchas di-recciones. Ellos incluyen por ejemplo, ladisponibilidad de nuevos sensores o ac-tuadores pueden abrir la posibilidad pa-ra un rendimiento mejorado o las pre-siones del mercado, o de nueva legisla-ción ambiental puede requeriría un me-jor rendimiento de control. Las investi-gaciones forenses son a menudo el papelde los consultores. Aquí el objetivo essugerir acciones correctivas para recti-�car un problema de control observado.En estos estudios, es importante queel ingeniero tome una visión integraldesde rendimiento de control pasandopor las necesidades del proceso, las al-ternativas de solución, de acuerdo a latecnología existente que por lo generaldepende la relación costo bene�cio. Esprobable que la de�ciencia de un con-trolador sea asociada con defectos bá-sicos de diseño, en la planta, los actua-dores, sensores inadecuados, o proble-mas de la computación. Sin embargo,todos estos problemas pueden y deben


ser parte de los dominios del consultor.Algunos de las partes que componen unproceso son: ? La planta, es decir, elproceso a controlar ? Los Sensores ? LosActuadores ? Los sistemas de comuni-cación ? Los equipos de computación? Los Algoritmos La planta es el sis-tema físico donde se pueden identi�carfenómenos o procesos que se desea con-trolar. Se estudia en general su dinámi-ca por medio de modelos matemáticosaproximados y que permiten plantear ladenominada ley de control Las señalestambién denominadas variables de pro-ceso, se encuentran dentro de la planta,son fenómenos físicos capaces de trans-portar información en su naturaleza pa-ra producir una reacción por el denomi-nado sistema o planta. La referencia esel objetivo al cual se desea que la plantallegue en un tiempo y una transición desu estado inicial permitida, depende delestado del proceso si es estacionario ensu generalidad (temperatura de hornode secado de pintura) o dinámico (re-posicionamiento o seguimiento de unatrayectoria de un robot manipulador)Los Sensores son los ojos del sistema decontrol que le permiten ver lo que estápasando, una de las a�rmaciones que aveces se hace sobre el control es: si sepuede medir, se puede controlar. Estaes, obviamente, demasiado simplista noobstante, la posibilidad de realizar me-didas adecuadas es una parte intrínsecadel problema de control, por otra par-te, las nuevas tecnologías en desarrollode sensores a menudo abren la puerta aun mejor desempeño de los sistemas decontrol. Alternativamente, en los casosen que las mediciones no son particular-mente importantes, a menudo se puedeinferir esta información de otras obser-vaciones. Esto conduce a la idea de un

sensor virtual. Veremos que esta es unade las técnicas más poderosas de las téc-nicas del ingeniero de control Una vezque los sensores están en marcha parainformar sobre el estado de un proce-so, la siguiente cuestión es la capacidadde afectar, o accionar, el sistema con el�n de hacer o avanzar el proceso de suestado actual a un estado deseado. Porlo tanto, vemos que el actuador es otroelemento intrínseco en los procesos .Ladisponibilidad de los actuadores nue-vos o mejorados también produce mejo-ras signi�cativas en el rendimiento. Porel contrario, un inadecuado actuador amenudo produce problemas principaleso graves en los procesos de control. LasComunicaciones es una parte del siste-ma importante que transporta la infor-mación y comunica a los sistemas entresí como, los sensores entregan la infor-mación que debe ser traducida y proce-sada por el controlador que comunicasus decisiones a los actuadores, por lotanto se implica el uso de sistemas decomunicación. Una planta típica puedetener muchos miles de señales separa-das para ser enviados a través de largasdistancias. Así, el diseño de los siste-mas de comunicación y sus protocolosasociados es un aspecto cada vez másimportante de la ingeniería de controlmoderno, también se identi�can proble-mas y necesidades especiales de los sis-temas de comunicación, que como, en lacomunicación de voz, los retrasos y laspequeñas imperfecciones en la transmi-sión son a menudo poco importantes,ya que son transparentes para el recep-tor y no así para los sistemas de controldigital o analógico donde esas imperfec-ciones pueden dar informaciones falsas.Por lo tanto en los sistemas de con-trol en tiempo real de alta velocidad,

1.1. EL PORQUÉ DE LA INGENIERÍA DE CONTROL 5

es prioridad por su importancia, ya quehay una tendencia creciente a utilizarlas redes Ethernet para transmisión dedatos en el control. Sin embargo, comoes bien conocido por aquellos familiari-zados con esta tecnología, si se produceun retraso en la línea de transmisión, eltransmisor simplemente intenta de nue-vo en algún momento posterior al azar.Esto, obviamente, introduce un retra-so no determinado en la transmisión delos datos. Dado que todo el control de-pende de un conocimiento preciso de,no sólo lo que ha sucedido, pero sí decuando sucedió, la atención a estos re-trasos es muy importante para el ren-dimiento del sistema global. Tambiénen los sistemas modernos de control, elprocesamiento de la información entre-gada por los sensores en forma de se-ñales físicas y actuadores es invariable-mente a través de un ordenador de al-gún tipo. Por lo tanto, los problemas in-formáticos ya son necesariamente par-te del diseño general. Los sistemas decontrol actuales utilizan una variedadde dispositivos de computación comoDCS de (Sistemas de control distribui-do), los PLC?s (Controladores LógicosProgramables), etc. En algunos casos,estos equipos pueden ser bastante li-mitados con respecto a las cualidadesque se necesitan como en la velocidadde procesamiento que es un paramentocrucial para el éxito fracaso de las ope-raciones de control. Otra consideraciónimportante que se debe tomar en cuen-ta es la precisión numérica, ya que va-rios sistemas de control que no cumplenlas especi�caciones de funcionamientodeseadas son debidos simplemente a lafalta de atención a los problemas numé-ricos. La arquitecturas y las intercone-xiones elegidas en un sistema de control

es una cuestión que puede permitir ob-tener mayor rendimiento y nos permi-te de�nir qué características tiene quever con: dónde y cómo se comunicanlos diferentes sistemas que componen elproceso. Esta �losofía de ordenamientoes diferente para cada acción de controlque se basa en la información adquiri-da por los sensores, que pueden desear-se concentrarlos en un centro de deci-sión único (que conduce a los llamados,control centralizado). Sin embargo, es-to es raramente (si alguna vez) la mejorsolución en la práctica. De hecho, haymuy buenas razones por las que unono puede desear traer todas las seña-les a un punto común. Objeciones ob-vias a esto incluyen complejidad, cos-to, limitaciones de tiempo de cálculo,de mantenimiento, �abilidad, etc. Así,por lo general se divide el problema enel control manejable por subsistemas.En efecto, una de las herramientas prin-cipales que un diseñador de sistema decontrol se puede utilizar para mejorar elrendimiento es ejercer pensamiento la-teral con respecto a la arquitectura dela controlar el problema. De entre lasarquitecturas muy utilizadas tenemoslas denominadas de lazo abierto y lazocerrado, esta última tiene unas grandesventajas de poder comparar si se ha lle-gado a alcanzar el objetivo deseado co-mo se muestra en la �gura. De entre eluniverso de sistemas o procesos que sedesean controlar existen modelos de es-tudio que pueden dar pautas generalesde cómo enfrentar procesos complejosen la práctica. De ente los problemasclásicos tenemos los de control de velo-cidad en un motor, posición, tempera-tura, �ujo, nivel, orientación, precisión,intensidad de luz, ruido, equilibrio, co-lor de entre algunos que podemos men-


cionar

Capítulo 2

Sistemas y Señales

2.1. Introducción a los

Sistemas

7

8 CAPÍTULO 2. SISTEMAS Y SEÑALES

Capítulo 3

Modelado de Sistemas

9

10 CAPÍTULO 3. MODELADO DE SISTEMAS

Capítulo 4

Sistemas y Señales

11

Capítulo 5

Sistemas y Señales

13

Capítulo 6

Sistemas y Señales

15

Capítulo 7

Sistemas y Señales

17

Capítulo 8

Sistemas y Señales

19

Capítulo 9

Sistemas y Señales

21

Capítulo 10

Sistemas y Señales

23

Capítulo 11

Sistemas y Señales

25

electronica aplicada y control

Documents