Universidad Técnica de OruroFacultad Nacional de Ingeniería

Ingeniería de Sistemas e Informática

UNIVERSITARIOS:

Ortega Bohorquez Cristhian

Via Peréz Jessica D.

Avila Herbas Luis

Carvajal Iquiapaza E. Mauricio

DOCENTE: Ing. María Angélica Andrade Zeballos

ORURO - BOLIVIA

SIS 3720 “A”INGENIERIA DE SISTEMAS II

SISTEMAS DE CONTROL Ingeniería de Sistemas II “RELAMPAMIGOS” SIS – 3720 “A”

SISTEMAS DE CONTROL

SISTEMAS DE CONTROL Ingeniería de Sistemas II “RELAMPAMIGOS” SIS – 3720 “A”

1. INTRODUCCION:

La importancia de los sistemas de control en nuestra vida diaria es tan crítica que sin ellos la vida sería complicada. Sistemas de control automático simples pueden encontrarse en cada rincón de una casa, el control de flujo automático de agua en la cisterna y el sistema automático de llenado en la taza de baño, por citar algunos. A medida que los sistemas tienen más ingeniería son sorprendentes. En el hogar podemos tener un sistema automático que encienda de manera automática la bomba para llenar el tinaco; en los coches tenemos controles en la velocidad de crucero, es decir, se mantiene una velocidad fija en el auto de manera automática sin importarle la pendiente de la carretera, existe un sistema de control en los frenos conocido como ABS (Antilock Brake System), otro para el control de temperatura y demás; en los aviones existen controladores para mantener un determinado ángulo de subida o bajada del avión; y aplicaciones de control las podemos encontrar en naves espaciales, robots, fábricas y en prácticamente cualquier sistema.

El control es un campo del conocimiento de gran utilidad en la ingeniería y la ciencia. Ha sido piedra angular en el desarrollo de la tecnología, ya que posibilita obtener un óptimo desempeño de sistemas autónomos. Por ejemplo, la velocidad o precisión que podría alcanzar un ser humano con respecto a la de una máquina.

El hombre ha utilizado el control con fines variados a lo largo de la historia. Los griegos, hacia el año 300 A.C., utilizaban sistemas de control de nivel de líquidos. En 1681 Denis Papin inventó una válvula de seguridad para controlar la presión de las máquinas de vapor. En el siglo XVII Cornelis Drebbel inventó un sistema de control de temperatura.

Para 1745 Edmun Lee desarrolló un control de velocidad para un molino de viento. De la misma manera James Watt inventó el gobernador centrífugo de velocidad para controlar la velocidad de los motores de vapor. Esto solo por mencionar algunos.

Hoy en día el uso de los sistemas de control es muy diverso, se pueden aplicar desde la guía y navegación de proyectiles así como de naves espaciales, barcos y aviones. En la industria también encontramos numerosos usos para los sistemas de control. Pero los sistemas de control no están limitados a la ciencia o la industria. Podemos encontrar sencillos sistemas de control en los sistemas de calefacción de las casas, por ejemplo.

Incluso los sistemas de entretenimiento, como los DVD’s o reproductores de CD, cuentan con un sistema de control integrado.

1.2. HISTORIA:

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Uno de los primeros sistemas de control fue el dispositivo de Herón para la apertura de puertas en un templo en el siglo primero, como se visualiza en la Fig. 1. La señal de mando del sistema fue el encendido del fuego, el aire se calienta, dilatándose y produce el traslado del agua de un tanque de depósito a una cuba. Al aumentar la cuba de peso, desciende y abre la puerta del altar por medio de una cuerda, dando lugar a la subida de un contrapeso; la puerta puede cerrarse apagando o atenuando el fuego. Al enfriarse el aire en el recipiente y reducirse su presión, el agua de la cuba por efecto sifón, vuelve al depósito; así la cuba se hace más liviana y al ser mayor el contrapeso se cierra la puerta. Esto tiene lugar siempre que la cuba esté más alta que el depósito.

Figura 1. Puerta de Heron.

El primer trabajo significativo en control automático fue el regulador centrífugo de James Watt desarrollado en 1778, para el control de velocidad de una máquina de vapor, la Fig 2 muestra el dispositivo.

Figura 2. Regulador Centrífugo.

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Otras etapas relevantes en el del desarrollo de la teoría de control son debidas a Minorsky, Hazen y Nyquist entre muchos otros. En 1922 Minorsky trabajó en centrales automáticas de dirección en barcos y mostró como se podía determinar la estabilidad a partir de las ecuaciones diferenciales que describen el sistema. En 1932 Nyquist desarrolló un procedimiento relativamente simple para determinar la estabilidad de los sistemas de lazo cerrado sobre la base de la respuesta de lazo abierto con excitación senoidal en régimen permanente. En 1934, fecha de mucha importancia para los sistemas de control automático, es cuando Hazen publica el artículo “Teoría de Servomecanismos”, relacionado con dispositivos de control de posición, marcando el principio de esta nueva actividad, el nombre empleado para describir tales mecanismos proviene de las palabras siervo y mecanismo, así la palabra servomecanismo significa un mecanismo esclavo o servidor. Es interesante hacer notar que apareció en el mismo año un importante artículo de Black sobre amplificadores realimentados. Durante los siguientes seis años se realizaron menos estudios básicos. Debido al sigilo impuesto por la segunda guerra mundial, los avances conseguidos durante el período 1940 a1945 quedaron ocultos demorándose así el rápido progreso de este campo. Desde la supresión del secreto militar, en 1945, se ha hecho un rápido progreso en esta ciencia; se han escrito libros y millares de artículos, así como la aplicación de los sistemas de control en los campos industrial y militar ha sido extensiva.

Los métodos de respuesta en frecuencia posibilitaron a los ingenieros el diseño de sistemas de control lineales realimentados que satisfacían las necesidades de los comportamientos de los mismos. También el desarrollo del método del lugar de las raíces posibilitó rápidos avances en el estudio de los sistemas de control.

Los métodos de respuesta de frecuencia y del lugar de las raíces que son el corazón de la teoría de control clásica, llevan a sistemas que son estables y que satisfacen un conjunto de requerimientos de funcionamiento más o menos arbitrarios. Estos sistemas, en general, no son óptimos en ningún sentido significativo. Desde fines de la década del 50, se orientó el énfasis en el proyecto de diseño de sistemas óptimos en algún sentido determinado.

Como las plantas modernas con muchas entradas y salidas se van haciendo cada vez más complejas, la descripción de un sistema moderno de control requiere una gran cantidad de ecuaciones.

La teoría del control clásica que trata de sistemas de entrada y salida únicas se vuelve obsoleta ante sistemas de múltiples entradas y salidas. Desde aproximadamente 1960 se ha desarrollado la teoría del control moderna para afrontar la creciente complejidad de las plantas modernas y las necesidades rigurosas en exactitud, peso, costo en aplicaciones militares, espaciales e industriales.

El uso de computadoras digitales cada vez más potentes, de menor costo, y fácil disponibilidad se ha convertido en una práctica habitual para la realización de cálculos complejos y la implementación de algoritmos de control en el proyecto de sistemas de control.

Los desarrollos más recientes en la teoría de control moderna se hallan orientados en la dirección del control óptimo de sistemas tanto determinísticos como estocásticos, así como en sistemas de control moderno a campos no ingenieriles como la biología, economía y sociología

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1.3. IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

1. Los sistemas de control han sido de gran impacto para el desarrollo de nuestra sociedad ya que han permitido:

Automatizar tareas humanas repetitivas, tediosas y/o peligrosas. Trabajar con tolerancias muchos menores, mejorando la calidad de los productos. Disminuir costos de producción en mano de obra e insumos o Mejorar la seguridad de operación de las máquinas y procesos.

2. Los sistemas de control tienen varias áreas de aplicación en:

Industrias del transporte, incluyendo la aeroespacial; procesos químicos y biológicos; sistemas mecánicos, eléctricos y electromecánicos; agroindustria, industrias de procesos y de manufactura; sistemas económicos, o políticos y sociales.

3. Los encontramos en nuestra cotidianidad:

Desde la nevera hasta el sistema de control de combustión electrónica de los automóviles y así como en nuestro propio cuerpo: control de la temperatura corporal, presión arterial, equilibrio,...

El simple acto de señalar con el dedo es un sistema de control.

Ahora bien, su aplicación requiere de varias tecnologías como la informática, la eléctrica, la electrónica y las comunicaciones; también exige buena fundamentación matemática y conocimientos del proceso a controlar.

De lo anterior se deriva que los sistemas de control sean un área multidisciplinar y transversal a las ingenierías y a otras ciencias.

1.4. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL:

Existen diversas clasificaciones para los sistemas de control, está es una de ellas:

1.4.1. Naturales o biológicos

Son aquellos en los que las variables de un proceso natural se mantienen bajo condiciones normales por acciones de control del medio natural mismo.

Como ejemplo de este tipo de sistemas de control podemos citar uno, de los muchos que tiene el cuerpo humano, el de control de temperatura corporal. Cuando la temperatura del cuerpo se incrementa, debido a algún factor externo o interno, como pueden ser, aumentando la temperatura ambiente, o por productos químicos de células o microorganismos lesionados, respectivamente, provoca un aumento en la temperatura corporal y, en consecuencia, en la temperatura sanguínea, rebasando ésta el valor en el cual el “termostato” en el hipotálamo está ajustado, siendo de 37°C aproximadamente en estado normal. Los cambios pueden ser notados desde 0.1°C, estimulando los receptores térmicos que actuarán

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sobre diversos órganos del cuerpo: glándulas sudoríparas, vasos sanguíneos cutáneos, y músculos intercostales y del diafragma, entre otros. Al actuar sobre las glándulas sudoríparas aumenta la producción de sudor, lo cual hará que haya mayor disipación de calor por difusión o evaporación, debido a la circulación de aire no saturado del medio ambiente, haciendo que la piel se enfríe.

Por otro lado al dilatarse los vasos sanguíneos cutáneos aumenta el área de transferencia de calor del sistema circulatorio, lo que incrementa la pérdida de calor por radiación.

Así mismo, al aumentar la respiración (jadeo) se expulsa también calor con el aire expirado. Estos factores, entre otros, hacen que la temperatura corporal y sanguínea disminuya hasta su temperatura normal.

Por el contrario, una disminución de la temperatura corporal, provocará los efectos contrarios, es decir, disminución o cese completo de producción de sudor y de jadeo, así como la contracción de los vasos sanguíneos cutáneos y erección de los pelos (este último efecto realmente ha perdido importancia en el ser humano, dada la pobreza de pelo, respecto a los animales inferiores).

Si los efectos mencionados no son suficientes para mantener o incrementar la temperatura corporal, entra en acción otro mecanismo de control del mismo hipotálamo denominado centro motor primario para escalofríos, que es estimulado por señales provenientes de receptores térmicos localizados en la piel, quedando inactivo el mecanismo de control anterior. En respuesta al frío, dicho centro motor es activado y transmite impulsos que aumentan progresivamente el tono de los músculos estriados de todo el cuerpo, aumentando el metabolismo muscular y, por ende, la producción de calor por medio de escalofríos, lo que hará que la temperatura corporal se eleve a su valor normal.

1.4.2. Artificiales

Son ideados y hechos por el hombre, siendo el estudio de éstos el objetivo principal de la teoría de control.

Por ejemplo Tomamos la computadora como ejemplo por que es un sistema integrado que realiza diferentes funciones.

Vemos que la computadora  toma como entrada unos datos los cuales procesa (el cual ese proceso no sabemos como lo realizo pero si obtenemos una respuesta que serian los datos de entrada ya procesados en una salida)

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En las relaciones sabemos que una computadora no funciona sin una corriente electrica, de una u otra forma la necesita para funcionar.

En los atributos vemos que una computadora  tiene ciertas cosas ya definidas como las teclas de acceso rapido, pero con ellas o sin ellas la computadora seguira realizando sus funciones, estas teclas es una ayuda para q la computadora realice sus funciones mas rapido.

1.4.3. Mixtos

Finalmente, el último tipo de sistemas de control lo constituyen, como ya lo habíamos señalado, aquellos que utilizan tanto componentes artificiales como biológicos, o sea, mixtos.

Un ejemplo de éstos; podemos considerar el de un automóvil guiado por un hombre. El conductor debe mantener el automóvil sobre la pista apropiada de la carretera; él lleva a cabo esta operación mirando constantemente la dirección del automóvil con respecto a la de la carretera si existe alguna desviación, su cerebro enviará una señal a sus manos para enmendar dicho error, actuando sobre el volante. Los componentes principales de este sistema de control son las manos del conductor, sus ojos y su cerebro, como componentes biológicos, y el sistema de dirección del vehículo la parte artificial.

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2. REPRESENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

2.1. SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO.

Son sistemas de control en los que la salida o resultado del proceso no tiene ningún efecto sobre la acción de control, es decir, en un sistema de control de lazo abierto la salida no se mide (no se retroalimenta) para comparar con lo que deseamos obtener y así verificar qué tanto nos estamos desviando de ello.

Sistema de control de lazo abierto es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador.

Estos sistemas se caracterizan por:

Ser sencillos y de fácil concepto. Nada asegura su estabilidad ante una perturbación. La salida no se compara con la entrada. Ser afectado por las perturbaciones. Éstas pueden ser tangibles o intangibles. La precisión depende de la previa calibración del sistema.

Elementos de sistemas de control de lazo abierto

Diagrama a bloques de un sistema a lazo abierto.

Ejemplo 1: Un ejemplo práctico lo constituye la lavadora. El remojo, lavado y enjuague se cumplen sobre una base de tiempos; la máquina no mide la señal de salida que, en este caso, es la limpieza de la ropa; es decir, que si la ropa después de un tiempo de lavado ya se encuentra limpia, la máquina no parará; e igualmente si, terminando el tiempo de limpieza de la ropa, ésta continua sucia, la máquina no continuará funcionando.

CONTROLPLANTA

O PROCESO

Entrada de referencia

Variable Controlada

Señal de Control

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Ejemplo 2: Proceso de elaboración de la cerveza

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Ejemplo 3: Podría ser el de un operador que llena un tanque con agua, como se muestra en la siguiente figura, de modo que cuando el operador abre la llave, se inicia el llenado del tanque y cuando se determina que el agua ha llegado a su nivel correcto, cierra la llave, este sistema se dice que opera como lazo abierto o en modo manual.

Ejemplo de un sistema de control de lazo abierto para el control del nivel de agua. El operador controla la apertura y cierre de la válvula

Ejemplo 4: Un ejemplo puede ser el amplificador de sonido de un equipo de música. Cuando nosotros variamos el potenciómetro de volumen, varia la cantidad de potencia que entrega el altavoz, pero el sistema no sabe si se ha producido la variación que deseamos o no

Operador

Abrir la llave

Llenado de agua

Tanque Lleno

Operador

Cierre la llave

Entrada de Agua

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Ejemplo 5: Sistema de control de temperatura de un horno eléctrico: La temperatura de un horno eléctrico se mide con un termómetro, que es un dispositivo análogo. La temperatura e convierte a un valor de temperatura digital, por un convertidor D/A y con esta se alimenta un controlador a través de un interfaz, la temperatura digital se compara con la temperatura de entrada programada, y ante cualquier error, el controlador envía una señal al calefactor, a través de un amplificador y relevador para levar la temperatura del horno al valor deseado.

Proceso: Regular la temperatura de un horno eléctrico

Actuador: Termómetro. Actúa sobre el proceso para la temperatura deseada.

Comparador: La temperatura digital se compara con la temperatura de entrada programada. La seleccionada por el actuador con la temperatura de entrada.

Referencia: el termostato enviará una señal al sistema de calefacción.

Ejemplo 6:

Regulación Amplificador

Volumen Altavoz

Horno eléctric

o

Termómetro

Calefactor

ConvertidorD/A

Interfaz

Amplificador

Interfaz Computadora

Revelador

Entrada programada

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Fig. 2.6   Sistema de control de lazo abierto

Fig. 2.7  Diagrama de bloques del sistema de control de lazo abierto

Las ventajas de los sistemas de control de lazo abierto son:

Montaje simple y facilidad de mantenimiento. Más económico que un sistema de lazo cerrado equivalente. No hay problemas de estabilidad. Es conveniente cuando es difícil económicamente medir la salida.

Las desventajas que tienen dichos sistemas son:

Las perturbaciones y las modificaciones en la calibración introducen errores, y la salida puede diferir de la deseada.

Para mantener la calidad necesaria a la salida, puede ser necesario efectuar periódicamente una re calibración.

2.2. SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO.

Son aquellos en los que la señal de salida tiene efecto directo sobre la acción de control, esto es, los sistemas de control de lazo cerrado son sistemas de control retroalimentados.

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Elementos de sistemas de control de lazo Cerrado

Donde:

Proceso: Sistema o componente en el cual se desea implementar el control. Medidor: Mide el valor real de la salida Controlador: Ejecuta el método y algoritmo para controlar Actuador: Realiza la acción directa sobre el proceso Señal de referencia o Salida Deseada: Es el valor deseado para la salida. Señal controlada o Salida Real: Es el valor real que se obtiene como salida. Error: Diferencia entre el valor de la salida real y la deseada. Señal de Regulación: Salida del controlador Señal Regulada: Salida del Actuador Señal Medida: Salida del medidor

Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito

cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia. El

control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:

- Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.

- Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar.

- Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos casos y requiere una atención que el hombre puede

perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al

trabajador y al proceso.

Sus características son:

Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros.

La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema.

Su propiedad de retroalimentación.

Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas.

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Un ejemplo de un sistema de control de lazo cerrado sería el termotanque de agua que utilizamos para

bañarnos. Otro ejemplo sería un regulador de nivel de gran sensibilidad de un depósito. El movimiento de la

boya produce más o menos obstrucción en un chorro de aire o gas a baja presión. Esto se traduce en cambios

de presión que afectan a la membrana de la válvula de paso, haciendo que se abra más cuanto más cerca se

encuentre del nivel máximo.