iycp láminas capítulo 1

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Fundamentos de Instrumentación y Control de Proceso s con

aplicaciones en MATLAB®

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA – Carlos Alberto Rey Soto - 2013

Capítulo 1

INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOS

�� OBJETIVOS INSTRUCCIONALES

• Describir definiciones clásicas de un sistema de control.

• Reconocer métodos usados para representación de sistemas de control.

• Identificar componentes básicos de un sistema de control de procesos.

• Reconocer métodos para evaluación del desempeño de sistemas de control de procesos.

• Evaluar funcionamiento de ejemplos típicos de control de procesos.

• Utilizar simbología ANSI-ISA para desarrollar los diagramas P&ID y PDF de ejemplos típicos de control de procesos.

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�� INTRODUCCION

• Sistemas de control → rol fundamental desarrollo ciencia y e ingeniería

• Ultima década → componentes esenciales en:

- control vehículos espaciales, sistemas robóticos, producción de combustibles

- procesamiento de productos alimenticios, industria petroquímica

- generación y distribución de energía eléctrica, biomedicina

- distribución y tratamiento de aguas residuales y servidas

- electrónica de automóviles, producción de electrodomésticos

• Sistemas de Control involucrados en todos aspectos de vida diaria:

- mantener altos estándares de calidad de los productos: composición, pureza, color

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- lograr niveles de producción a mínimo costo

- proporcionar condiciones de trabajo adecuadas

- seguridad industrial y ambiental

- menor intervención del ser humano

• Temas incluidos en capítulo:

- aspectos fundamentales para comprender funcionamiento de S.C.

- orientado particularmente al control de procesos industriales

- definiciones clásicas, asociadas con la función del control de procesos

- formas típicas de representación mediante diagramas de bloque

- Identificar componentes fundamentales → función y propósito

- diagramas Instrumentación y Control de Procesos → P&ID y PFD

- MATLAB → herramienta que facilita solución e interpretación gráfica

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1.1 CONCEPTOS GENERALES DE SISTEMAS DE CONTROL

• Propósito, definición, componentes, estrategias y señales características

• Campos de aplicación de los sistemas de control

�� DEFINICION DE SISTEMA DE CONTROL

• Diversas definiciones clásicas relacionadas con objetivo y propósito S.C.

[Dorf2005], [Ogata2003], [Kuo1995], [Franklin1991], [Johnson2003]

• Definición que incluye condiciones mínimas:

DEFINICION 1.1: Propósito del sistema de control

Conjunto de componentes interconectados, de modo que puedan ser comandados, o regulados por sí mismos o por otro sistema en forma automática, para lograr una condición deseada de una variable física.

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• Dos condiciones mínimas que debe satisfacer cualquier S.C.:

- capacidad de regulación → respuesta a especificaciones de diseño, según la variable física a controlar o variable controlada

- regulación automática → no necesaria intervención del operador

• Caso típico: Operador ajustando manualmente válvula de vapor en control de temperatura usando intercambiador de calor:

- alto nivel de riesgo → descuido del operador

- pobre calidad en regulación de temperatura

�� CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

• Gran variedad de criterios → muchas definiciones

• Según la condición deseada:

SEGUIDORES: Condición deseada cambia con el tiempo.

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Ejemplos típicos:

- control de posición de una antena de un radar

- control de la dirección de un vehículo

- seguidores solares de 2 ejes de alta precisión: CSP y CPV

REGULADORES: Condición deseada fija → controladores industriales

Ejemplos típicos:

- control temperatura, nivel, presión y flujo → control de procesos

• Aplicaciones específicas:

CONTROL DE PROCESOS: Sistemas de regulación automática para mantener constante en el tiempo una variable controlada, respecto de un valor deseado o setpoint. Se aplica en regulación automática de nivel, temperatura, flujo, presión, relacionadas con sistemas de producción industrial.

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SERVOMECANISMOS: Ejecutar conjunto operaciones en secuencia, usando componentes eletromecánicos.

Ejemplos típicos:

- robots en aplicaciones industriales y biomedicina

- máquinas de control numérico, lavadoras de ropa

• Otras denominaciones:

- control secuencial → electrodomésticos y procesos de manufactura

- control analógico → regulación mediante dispositivos analógicos electrónicos

- control digital → utilizan microprocesadores como unidades de control

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�� DIAGRAMA DE BLOQUES Y MODELO DEL SISTEMA DE CONTRO L

• Diagrama funcional → identificar relación causa ⇔ efecto

• Relación condición esperada o setpoint ⇔ variable controlada

• Fundamento → teoría Sistema Lineales → relación entrada ⇔ salida

• Identifica y establece propósito del sistema de control

• Dos variables fundamentales al formular la relación entrada ⇔ salida

ENTRADA: Estímulo o excitación aplicada para lograr una respuesta deseada en el sistema de control, conocida como valor deseado o setpoint.

Figura 1.1 Diagrama funcional asociado con propósito del sistema de control.

SISTEMA DE CONTROL

Valor deseado

Entrada

Variable controlada

Salida

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SALIDA: Respuesta por la acción de control, que puede ser igual o no al valor deseado o setpoint → offset o error permanente.

• Relación entrada ⇔ salida cambia con el tiempo → sistema dinámico

DEFINICION 1.2: Sistema dinámico

Proceso donde existe relación causa ⇔ efecto y es posible formular de modo algebraico o gráfico una relación entrada ⇔ salida, para evaluar su comportamiento en el tiempo.

• Relación entrada ⇔ salida → modelo del sistema analítico o gráfico

• Modelo → elemento básico para análisis y diseño del sistema de control

�� ANALISIS Y DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL

ANALISIS: Evaluar respuesta dinámica para entrada conocida (señal prueba). Asume que conocido el modelo del sistema de control.

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DISEÑO: Obtener modelo del sistema para satisfacer condiciones específicas de entrada ⇔ salida → requerimientos de diseño.

�� SISTEMAS SISO Y SISTEMAS MIMO

• SISO → 1-entrada y 1-salida → Single-Input-Single-Output

• Modelos industriales → múltiples-entradas-múltiples-salidas

• MIMO → Multiple-input-Multiple-output → figura 1.3

Figura 1.2 Diferencia entre análisis y diseño de un sistema de control. Análisis

MODELO DEL SISTEMA

Entrada

(Conocida)

Salida

(?)

Diseño

(?) Entrada

(Conocida)

Salida

(Conocida)

SISTEMA DE CONTROL

MULTIVARIABLE

Entradas Salidas

Valores deseados

Variables controladas

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• Figura 1.4 → Ejemplo típico: caldera de vapor

1.2 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE PROCESOS

�� CONTENIDO:

• Fundamentos básicos para comprender funcionamiento del C.P.

• Identificar propósito de cada componente → diagramas de bloque

• Interconectar según aplicación particular

CALDERA DE VAPOR

Temperatura Agua

Combustible

AirePresión

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