Unidad 1

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sistema de lazo abierto vs lazo cerrado

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Unidad 1

  1. 1. Universidad Tecnológica de Ciudad Juárez Departamento de Mecatrónica Tetramestre: Enero – Abril 2013 Titular: M.I Velia Chávez Sáenz Correo: velia_chavez@utcj.edu.mxSistemas de Control AutomáticoUNIDAD I. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROLi. Fundamentos de los sistemas de controlii. Tipos de Control a) Sistema de lazo abierto b) Sistema de lazo cerrado
  2. 2. Fundamentos de ControlCONTROL: Métodos para forzar ciertas variables de un proceso o sistema atomar valores determinados.OBJETIVOS Estabilidad Seguimiento de referencias Rechazo de perturbaciones Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 2
  3. 3. Fundamentos de Control Sistema de control: conjunto de dispositivos de diversa naturaleza (mecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos, hidráulicos) cuya finalidad es controlar el funcionamiento de una máquina o de un proceso. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 3
  4. 4. Fundamentos de Control Componentes básicos: 1. Objetivos de control 2. Componentes de sistema de control 3. Resultados o salidas Objetivos Sistema de control Resultados Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 4
  5. 5. Fundamentos de Control Sistema: Combinación de elementos que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. (ej. vehículo, sistema se calefacción). Planta: Sistema que se desea controlar. Proceso: Cualquier operación que deba controlarse (ej. Proceso químico, proceso biológico ). Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 5
  6. 6. Fundamentos de Control Variable: Factor o característica que puede variar. Variable controlada: es la cantidad o condición que se mide y controla. Variable manipulada: es la cantidad o condición modificada por el controlador a fin de afectar la variable controlada. Normalmente la variable controlada es la salida del sistema. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 6
  7. 7. Fundamentos de Control Referencia: Evidentemente se trata de una señal o magnitud física que se desea para el sistema controlado. Un sistema bien controlado seguirá con fidelidad la consigna de la referencia. Un sistema mal controlado no será capaz de alcanzar la referencia o la seguirá con un error considerable. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 7
  8. 8. Fundamentos de Control Perturbación o Incertudumbre: es una señal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema.  Si la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada. Error: es la variación que existe entre la referencia deseada y la respuesta real del sistema, también es un elemento de interés en los sistemas controlados dado que aunque exista, se puede establecer un umbral para el funcionamiento. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 8
  9. 9. Fundamentos de Control El elemento central del sistema de control es lo que denomina controlador. A veces se le llama compensador o regulador. Este elemento es el encargado de actuar en la planta en función de la referencia o del error, para conseguir que dicha planta se comporte de acuerdo con las especificaciones de diseño. Cuando un controlador consigue su objetivo a pesar de las incertidumbres de la planta, se dice que el controlador es robusto. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 9
  10. 10. Ejercicio 1 Diseñar un ejemplo de un sistema de control y determinar claramente lo siguiente 1. Definir funcionamiento 2. Cual es la Planta 3. Cual es la variable controlada 4. Cual es la variable manipulada 5. Referencia 6. Perturbación o Incertidumbre 7. Umbral de Error 8. Que controlador podría utilizarse Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 10
  11. 11. Tipos de Control Sistema de lazo abierto: es aquel cuyo controlador actúa solo en función de la referencia deseada para la respuesta del sistema. Este tipo de control se puede emplear si las perturbaciones sobre el sistema son pequeñas y se tiene un buen modelo de planta. También se utiliza este tipo de control si la señal de salida del sistema es imposible o muy difícil de medir. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 11
  12. 12. Tipos de Control En un sistema de lazo abierto la entrada se elige en base a la experiencia que se tiene con dichos sistemas para producir el valor de salida requerido. Esta salida, sin embargo no se ve modificada por el cambio de las condiciones de operación externas. Los sistemas que operan mediante mecanismos de temporización prestablecidos son sistemas en lazo abierto. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 12
  13. 13. Tipos de Control Sistema de lazo cerrado: la variable controlada se mide y se utiliza para modificar la actuación sobre la planta. Evidentemente, para realizar esta medida se necesita un sensor.  Sensor: dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica que seamos capaces de cuantificar y manipular. Con un sistema de lazo cerrado se tiene una señal de retroalimentación hacia la entrada desde la salida, la cual se utiliza para modificar la entrada de modo que la salida se mantenga constante a pesar de los cambios en las condiciones de operación. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 13
  14. 14. Tipos de Control La forma más habitual de “cerrar el lazo” en los sistemas de control es calcular el error entre la referencia y la respuesta actual del sistema. El controlador actúa entonces en función del error. El concepto de realimentación (feedback) es uno de los principios básicos del control automático. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 14
  15. 15. Lazo Abierto VS Lazo CerradoSistema de control en Lazo Abierto Sistema de control en Lazo Cerrado Bastante sencillos.  Capaces de igualar los valores reales a los requeridos. De bajo costo.  Un retraso propicia que la acción correctiva llegue tarde y se obtienen Buena Confiabilidad. oscilaciones en la entrada e inestabilidad.  Complicados.  Costosos.  Probabilidad de descomponerse por la gran cantidad de componentes que tiene. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 15
  16. 16. Ejercicio 2 Identifique las salidas globales y sugiera el tipo de sistema de control que se puede utilizar con: a) Un tostador de pan automático b) Una lavadora de ropa automática c) Un sistema de calefacción central doméstico. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 16
  17. 17. Elementos básicos de un sistema en lazo abierto  Un sistema en lazo abierto consiste en algunos subsistemas básicos arreglados. Controlador Entrada Salida Elemento de Elemento de ProcesoSeñal que se control corrección Variableespera produzca controladala salidarequerida  Estos elementos pueden ser distintos, equipos separados, pero todas las funciones que cumple cada subsistema se debe preservar. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 17
  18. 18. Elementos básicos de un sistema en lazo abierto La entrada global al sistema es una señal, que, basada en experiencias anteriores, es probable que conduzca a la salida requerida. Los subsistemas son: 1. Elemento de control: Este elemento determina que acción se va a tomar dada una entrada al sistema de control. 2. Elemento de corrección: Este elemento responde a la entrada que viene del elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la variable controlada al valor requerido. 3. Proceso: Es el sistema en el que se va a controlar la variable. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 18
  19. 19. Ejemplo de un sistema en lazo abierto Un ejemplo es un calefactor eléctrico utilizado para calentar una habitación. Con dicho sistema se tiene: 1. Variable controlada: Temperatura de la habitación. 2. Elemento de control: Una persona que toma las decisiones basadas en la experiencia de las temperaturas producidas mediante la conmutación del elemento calefactor. 3. Elemento de corrección: El interruptor y el elemento calefactor. 4. Proceso: La habitación. Elemento de Elemento de control corrección Calentamiento de la habitación Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 19
  20. 20. Ejercicio 3 Identifique los subsistemas en un sistema en lazo abierto de un motor de velocidad controlada. 1. Variable controlada: 2. Elemento de control: 3. Elemento de corrección: 4. Proceso: Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 20
  21. 21. Elementos básicos de un sistema en lazo cerrado  Un sistema en lazo cerrado consiste en algunos subsistemas básicos ordenados. Controlador Elemento de comparación Elemento de Elemento de Elemento de + Entrada, - control corrección proceso Salida, Señal variable valor de de errorreferencia controlada Elemento de Realimentación medición Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 21
  22. 22. Elementos básicos de un sistema en lazo cerrado Estos elementos pueden no ser partes distintas o equipos separados, pero en todas las funciones de los subsistemas estarán presentes. La entrada global al sistema de control es el valor requerido de la variable, y la salida es el valor real de la variable.1. Elemento de comparación: Este elemento compara el valor requerido o de referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la salida, y produce una señal de error la cual indica la diferencia del valor obtenido a la salida y el valor requerido. Señal de error = señal del valor de referencia – valor medido2. Elemento de control: Este elemento decide qué acción tomar cuando se recibe una señal de error. A menudo se utiliza el termino controlador para un elemento que incorpora el elemento de control y la unidad de corrección. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 22
  23. 23. 3. Elemento de corrección: Este se utiliza para producir un cambio en el proceso al eliminar el error, y con frecuencia se denomina actuador.4. Elemento de proceso: es el sistema donde se va a controlar la variable.5. Elemento de medición: Este elemento produce una señal relacionada con la condición de la variable controlada, y proporciona la señal de realimentación al elemento de comparación para determinar si hay o no hay error. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 23
  24. 24. Realimentación en el lazo cerrado Una característica necesaria de un sistema de control en lazo cerrado es el lazo de realimentación. Este es el medio a través del cual una señal relacionada con la variable real obtenida se realimenta para compararse con la señal de referencia. Se dice que se tiene realimentación negativa cuando la señal realimentada se sustrae del valor de referencia, esto es: Señal de error = valor de referencia – señal de realimentación La realimentación negativa es necesaria para que logre el control. La realimentación positiva se presenta cuando la señal realimentada se adiciona al valor de referencia, esto es: Señal de error = valor de referencia + señal de realimentación Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 24
  25. 25. Ejemplo de un sistema calefactor en lazo cerrado(con un termómetro integrado) Tenemos un sistema en el que se controla la temperatura de una habitación mediante una persona que enciende y apaga el elemento calefactor de acuerdo a si la temperatura de la habitación dada por un termómetro tiene o no el valor requerido. Los elementos de control de este sistema son: 1. Variable controlada: temperatura de la habitación. 2. Valor de referencia: temperatura requerida en la habitación. 3. Elemento de comparación: persona que compara el valor medido y la temperatura requerida. 4. Señal de error: diferencia entre la temperatura requerida y la medida. 5. Elemento de control: la persona. 6. Elemento de corrección: mano que opera el encendido del elemento calefactor. 7. Proceso: la habitación. 8. Dispositivo de medición: termómetro 9. Realimentación: negativa Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 25
  26. 26. Ejercicio 4 El tostador doméstico es un sistema en lazo abierto (ejercicio 2), sugiera los medios que permiten hacerlo un sistema de control en lazo cerrado.  Explique a detalle la manera en que lo haría.  Elabore un diagrama como el de la diapositiva 21 pero en base a la elaboración de este ejercicio. Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 26
  27. 27. Ejercicio 5 (Tarea) La figura muestra un ejemplo de un sistema de control sencillo utilizado para mantener constante el nivel de agua en un tanque. El valor de referencia es la posición inicial del brazo (flotador), de modo que cierra el suministro de agua en el nivel requerido. Cuando el agua sale del tanque, el flotador baja con el nivel de agua. Esto propicia que el brazo del flotador se mueva y permita que el agua entre al tanque. Este flujo continua hasta que el flotador sube a una altura tal, que haya movido el brazo del flotador y cerrado el suministro de agua. Este es un sistema de control en lazo cerrado, ahora determine cuales son sus elementos: 1. Variable controlada 2. Valor de referencia 3. Elemento de comparación 4. Señal de error 5. Elemento de control 6. Elemento de corrección 7. Proceso 8. Dispositivo de medición 9. Realimentación Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 27
  28. 28. Ejercicio 6 (Tarea) En la figura se muestra un sistema de control automático sencillo para la velocidad angular de un eje. Se utiliza un potenciómetro para fijar el valor de referencia, es decir, qué el voltaje se aplica al amplificador diferencial como valor de referencia para la velocidad angular requerida. El amplificador diferencial se usa tanto para comparar como para amplificar la diferencia entre los valores de referencia y realimentación, esto es, amplifica la señal de error. Después, la señal de error amplificada se aplica al motor que, a su vez, ajusta la velocidad del eje giratorio. La velocidad angular del eje se mide con un tacogenerador, conectado al eje por medio de un par de engranes cónicos. La señal que viene del tacogenerador se realimenta al amplificador diferencial. Este es un sistema de control en lazo cerrado, ahora determine cuales son sus elementos: 1. Variable controlada 2. Valor de referencia 3. Elemento de comparación 4. Señal de error 5. Elemento de control 6. Elemento de corrección 7. Proceso 8. Dispositivo de medición 9. Realimentación Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 28
  29. 29. Ejercicio 7 (Tarea) En la vida diaria existen muchos sistemas de control sencillos. El acto de levantar una taza de café de la mesa requiere un sistema de control con realimentación. La mano que levanta la taza se debe mover al lugar correcto, sorteando los obstáculos en el camino, y debe quedar en la posición adecuada para que los dedos puedan tomar la oreja de la taza justo en la forma apropiada y levantarla. Para controlar la mano se llevan a cabo dos tareas de realimentación: visión y tacto (como se muestra en la figura). Este es un sistema de control en lazo cerrado, ahora determine cuales son sus elementos: 1. Variable controlada 2. Valor de referencia 3. Elemento de comparación 4. Señal de error 5. Elemento de control 6. Elemento de corrección 7. Proceso 8. Dispositivo de medición 9. Realimentación Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 29
  30. 30. Ejercicio 8 (Tarea) Un trabajador mantiene el nivel de liquido en un contenedor a un nivel constante. Para esto se observa el nivel a través de una mirilla de vidrio en una de las paredes del tanque, y ajusta la cantidad de liquido que sale del tanque con la apertura o cierre de la válvula (como se muestra en la figura). Para dicho sistema de control ¿cuales son?: 1. Variable controlada 2. Valor de referencia 3. Elemento de comparación 4. Señal de error 5. Elemento de control 6. Elemento de corrección 7. Proceso 8. Dispositivo de medición Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 30

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