INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

INSTITUTO POLITÉCNICO AGROINDUSTRIAL

PROFESOR:

ING. RONADL TORREJON

CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN SISTEMAS DE CONTROL:

La Ingeniería de Control surge por la necesidad del hombre de mejorar

su estándar de vida y de que algunas tareas sean realizadas en forma automática,

es decir no requieren intervención directa del hombre.

Para entrar al estudio de los Sistemas de Control, se deben definir los

siguientes términos:

ProcesoSistema

Control

Planta

Conjunto de fases consecutivas en un fenómeno

natural, en un área o en una actividad, que tiene

cambios de estado de acuerdo a condiciones

dadas.

Ejemplo: Procesos eléctricos, mecánicos,

manufactura, alimentos, energía, hidrocarburos,

transporte, comunicaciones, entre otros.

Concepto de Proceso:

Fabrica de Manufactura

Concepto de Planta:

Conjunto de equipos o elementos de

maquinas que actúan juntos con el propósito

de realizar una operación en particular.

Ejemplo: Plantas eléctricas, de Gas,

Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de

fabricación, entre otros.

Planta de Hidrocarburos

Concepto de Sistema:

Conjunto de elementos y reglas que organizados e interrelacionados entre si,

contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los definen,

que pueden ser constantes (parámetros del sistema) y cambiantes en el tiempo

(variables del sistema) las cuales permiten determinar su comportamiento.

SISTEMAEntrada Salida

Elementos y Reglas

Parámetros del Sistema

Variables del Sistema

Concepto de Control:

Es una estrategia que verifica lo que ocurre (realidad) con respecto a lo que debería

ocurrir (objetivo) y de no existir concordancia se toman acciones para corregir la

diferencia.

CONTROLObjetivo

AcciónRealidad

Concepto de Sistema de Control:

Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones

corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y

aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las

condiciones deseadas.

Mide el Nivel

TanqueAbre Válvula

Salida de Fluido

Regula el Nivel

Acelerador

Velocidad

Real

Velocidad

Deseada

Medidor

VehículoConductor Acción

Control de Nivel en un Tanque Control de Velocidad en un Vehículo

METODOLOGIA APLICADA AL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL:

Proceso

(Realidad)

Modelos

Matemáticos

Análisis

Controladores

Estrategias

(Simulación)

Valido?

Implementación

SI

NO

Especificaciones

Unidad 1

Unidad 2

Unidad 3

Unidad 4

ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL:

Proceso:

es el objeto o elemento a regular, es decir donde se darán los cambios.

Variables:

Variable Controlada: variable a mantener dentro de ciertas condiciones.

Variable Manipulada: variable modificada intencionalmente para influir en la

variable controlada.

Valor Deseado: valor de referencia al cual se quiere llevar la variable controlada.

Variable de Perturbación: variable que produce desviación entre la variable

controlada y el valor deseado.

Instrumentos:

Medidor: elemento a través del cual se visualiza el comportamiento de las

variables.

Controlador: dispositivo que permite evaluar las condiciones para emitir las

acciones de control.

Actuador: dispositivo que ejecuta la acción de control directa sobre el proceso.

EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL:

Tanque de

Agua

Flotador

Proceso: Tanque

Sistema de Control de NIVEL

Variable controlada: Nivel Tanque

Variable manipulada: Flujo entrada

Valor deseado: Altura del tanque

Variable de perturbación: Filtración

Medidor: Flotador

Actuador: Flotador

Controlador: Flotador

Proceso: Tanque

Variable controlada: Nivel Tanque

Variable manipulada: Flujo salida

Valor deseado: Altura del tanque

Variable de perturbación: Filtración

Medidor: Observador (persona)

Actuador: Válvula Manual

Controlador: Operador (persona)

Tanque

de Agua

Válvula

V-1

FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN APLICADOS AL CONTROL :

Variables: se relacionan con la naturaleza del proceso a controlar. Son tan diversas

como los procesos. Ejemplo: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Corriente, Voltaje,

Densidad, Peso, Posición, Frecuencia, etc.

Instrumentos: dispositivos que miden, indican, controlan, almacenan información,

manipulan mecanismos y modifican estados. Influyen en las variables y los estados del

proceso.

La Instrument Sociaty American (ISA) establece la nomenclatura y simbología de

los instrumentos utilizados en la ingeniería de control. Permite identificar y representar los

sistemas de control a través de los diagramas de instrumentación.

El formato para la identificación del instrumento según la ISA es el siguiente:

XXYY – ZZ – NN

XXYY: Identificación del Instrumento. Este código esta formado por dos subcodigos.

El primero (XX) se refiere a la variable y el segundo a la función del instrumento.

ZZ: Identificación del Lazo o Área en el cual se encuentra ubicado el instrumento.

NN: Identificación del número del instrumento en una misma función. (Opcional)

CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN CONTROL :

Función:

Controlador: ejecuta algoritmos de control

Transmisor: mide y transmite variables en forma de señales

Válvulas: ejecutan acciones sobre los procesos

Elementos finales: ejecutan acciones. Relés, bombas.

Convertidores I/P: convierten señales de presión a corriente

Sensores: detectan una condición del proceso

Energía:

Electrónico: funciona con corriente, voltaje.

Neumático: funciona con presión de aire

Hidráulico: funciona con presión de aceite

Señal:

Analógica: funciones continuas. Rango de

valores.

(Presión, temperatura, tiempo, etc.)

Digital: funciones binarias. Dos estados (ON/FF)

SIMBOLOGIA PARA DIAGRAMA DE INSTRUMENTOS :

CONEXIÓN AL PROCESO

O ENLACE MECANICO

CONEXIÓN SEÑAL

NEUMATICA

(PRESIÓN AIRE)

-

CONEXIÓN SEÑAL

HIDRAULICA

(PRESIÓN ACEITE)

CONEXIÓN SEÑAL

ELECTRICA

(ELECTRONICO)

CONEXIÓN SEÑAL

ELECTROMAGNETICA

( INALAMBRICO)

XXYY

ZZ-NN

SIMBOLO

INSTRUMENTO

(TRANSMISOR, CONTROLADOR, ETC)

V-1V-2

V-3

V-4

E-1

Válvula

Manual

Válvula Control

NeumáticaVálvula Control

MotorizadaVálvula Solenoide Bomba Eléctrica

s

TABLA PARA LA IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS :

TT-A1-2 Transmisor de Temperatura del Área A1, Instrumento 2

FRC-10-2 Controlador Registrador de Flujo del Área 10, Instrumento 2

FT-12-1 Transmisor de Flujo del Área 12, Instrumento 1.

LSL-10-1 Interruptor de Bajo nivel del Área 10, Instrumento 1.

PDI-10-1 Indicador de Presión Diferencial del Área 10, Instrumento 1.

TT

TC

Vapor

Válvula

Intercambiador

Entrada fluido

Transmisor de

Temperatura

Controlador de

Temperatura

El siguiente diagrama de instrumentación de un proceso industrial, corresponde a un intercambiador de

calor utilizado para calentar un fluido. Un transmisor de temperatura (TT) permite medir la temperatura

del fluido e indica a un controlador (TC) para que este opere una válvula que deja pasar vapor hacia el

recipiente. Identificar los elementos del sistema de control.

Salida fluido

EJEMPLOS DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:

Proceso: Intercambiador de Calor

Variable controlada: Temperatura fluido

Variable manipulada: Flujo Vapor

Valor deseado: Temperatura T

Variable de perturbación: Temp. Externa

Medidor: Transmisor de Temperatura TT

Actuador: Válvula

Controlador: Controlador TC

Valor deseado T

PV-01-1

01-1

01-1

PT

IP

01-1

PC

S-7

MEDIDOR

(TRANSMISOR DE

PRESIÓN)

CONVERTIDOR

(CORRIENTE A

PRESIÓN)

VALVULA NEUMATICA

PARA CONTROL DE

PRESIÓN

CONTROLADOR DE

PRESIÓN

(ELECTRONICO)

F

SP

(VALOR DESEADO)

LÍNEA DISTRIBUCIÓN

DE GAS

Dibujar un diagrama de proceso e instrumentación, para controlar la presión de

una la línea de gas, utilizando una válvula de control neumática y un controlador

electrónico.

EJEMPLO DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL:

Son representaciones graficas utilizadas para expresar a través de bloques

las conexiones funcionales de los elementos del sistema de control.

Flechas: representan las variables controladas y no controladas (Señales).

Bloques: representan los elementos de control (medidores, controladores,

proceso y demás dispositivos.

Comparadores: compara las señales del sistema, dando como resultado

la adición o diferencia de señales. También se les dice puntos de suma o

diferencia.

Los elementos utilizados para construir los diagramas de bloques son:

Proceso: objeto en el cual se desea implementar el control

Variable Controlada: variable real del proceso que se va a controlar

Variable de Referencia: valor deseado para la variable a controlar

Medidor: mide el valor real de la variable controlada

Controlador: ejecuta el método y algoritmo para controlar

Actuador: realiza la acción directa sobre el proceso

Error: diferencia entre le valor real y el valor deseado de la variable controlada

Señal de Regulación: salida del controlador

Señal Regulada: salida del Actuador

Señal de Perturbación: variables no controlada que afecta al proceso

Señal Medida: salida del medidor

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL:

Un contenedor con flujo constante de agua, como se muestra en la figura, va a ser regulado de tal

forma que la temperatura de salida del agua (T2), se mantenga constante. Dibuje un diagrama de

bloques, de manera que muestre como funciona el sistema de control. La temperatura ambiental es T1.

Que variable se puede tomar como disturbio o alteración del sistema?

RESISTENCIA DE

CALENTAMIENTOAMPLIFICADOR

+ - +AMPLIFICADOR

OPERACIONAL

MEDIDOR DE

TEMPERATURA

T1

T2

R

-

POTENCIOMETRO

EJEMPLO:

TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS:

Control Manual

Control Automático

Interviene directamente la mano del hombre en la acción de control.

Ejemplo: Válvula manual a la salida del tanque de riego.

No se requiere la intervención ni la supervisión del hombre

Ejemplo: Control de Temperatura del contenedor de agua caliente.

Es aquel en el que la salida no influye sobre la acción de control.

Su esquema básico es:

Control a Lazo Abierto

SISTEMA DE

REGULACIONPROCESO, OBJETO

SALIDAENTRADA

Influencia

Señal de

Regulación

Se produce cuando la salida del sistema vuelve a ingresar al sistema para la acción de

control. Este esquema se llama retroalimentación permite el control automático de un

sistema.

El esquema básico del Control a Lazo Cerrado es:

SISTEMA DE REGULACION

SISTEMA, PROCESO, OBJETO

SALIDAENTRADA

Perturbaciones

Observación

Señal de Medición

Influencia

Señal de Regulación

Control a Lazo Cerrado

TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS:

EJEMPLO:

Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para los procesos de control de

nivel con y sin flotador, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables

principales (Referencia, Controlada, Disturbio), así como el tipo de control.

Caso sin flotador:

CONTROL MANUAL

A LAZO CERRADO

Caso con flotador:

CONTROL AUTOMATICO

A LAZO CERRADO

EJEMPLO:

Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para un aire acondicionado integral

de una vivienda, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables principales

(Referencia, Controlada, Disturbio). Dibujar un diagrama a Lazo Abierto y otro a Lazo Cerrado

LAZO ABIERTO:

LAZO CERRADO: