Presentación del trabajo de ascenso para la categoría de profesor agregado en la UCV

1. Diseño y Análisis de
Sistemas de Control
con visualización gráfica
Trabajo de Ascenso presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
Para optar a la Categoría de Profesor Agregado

2. Resumen
 Compendio de apuntes de clases,
exámenes, problemas y programas de
simulación
 Literatura en español limitada u orientada
a otras áreas de ingeniería
 CD con simulaciones de procesos típicos
 Excel
 Matlab/Simulink
 Sección de preguntas y ejercicios

3. Objetivos
 Elaborar modelos matemáticos simples y
linealizar modelos no lineales.
 Simular modelos no lineales a lazo abierto con
Excel.
 Simular modelos lineales o linealizados a lazo
abierto con Simulink.
 Simular procesos a lazo cerrado con controlador
PID en Simulink por medio de FT.
 Entender el funcionamiento de estrategias de
control.

4. Contenido del Libro
CAPÍTULO 1.
CAPÍTULO 2.
Modelado de
Simulación de
procesos
procesos
químicos
químicos
Anexos
CAPÍTULO 3.
CAPÍTULO 4.
Control de
Estrategias
procesos
avanzadas de
químicos
control

5. Modelado de procesos químicos
 Desarrollo de modelos matemáticos
 Dificultades del modelado
 Procesos pobremente entendidos
 Parámetros imprecisos
 Tamaño y complejidad del modelo
Entradas m1 Salidas
m2
Manipuladas
Modelo entrada-salida y grados de libertad
y1
...

mn
Proceso
Proceso y2 Controladas
l1SP
...
Perturbaciones l2 yn
SP
...
lnSP
y = f(m, l)
 Linealización de los modelos matemáticos
 Variables de desviación

6. Del Proceso al Diagrama de Bloques
 Funciones de transferencia y diagramas de
bloque
dh G6
Venteo A  F0  k h P  ρp gh
PI dt
G5
Aire  dP dh  3/2
(VTP0 Ah) dt  PA dt   P0G0  k pP
 G3
  +
+
G0 G4 P
Nivel, h LI
ˆ K1 ˆ K2+ ˆ
h(s)  F 
0 P
1s  1 1s 1
G2
Pulpa de
ˆ K3 ˆ K4 ˆ K5 ˆ - K6 ˆ
Papel P(s)  P 
0 G0  + F 0 h
F0 τ2s  1 τ2s G1
1 τ2s  1 τ2s  1 H
 Funciones de transferencia y respuesta de la
variable de salida
 Teorema de Valor Final

7. Simulación de Procesos Químicos
 Características dinámicas de los procesos
 Atrasos de 1er y 2do orden con y sin tiempo muerto
Y(t) Y(t)
K n =2
n =4
63.2% n =10 n =40
KA
tiempo
 Tiempo Muerto
 Respuesta inversa
Y(t) Respuesta Proceso 1  Tiempo de residencia
Respuesta global
t
Respuesta Proceso 2  Procesos integrantes y no integrantes
X(t)
t

8. Simulación de Procesos Químicos
 Simulación con Excel

9. Simulación de Procesos Químicos
 Simulación con Simulink

10. Control de Procesos
 Elementos de control de procesos
 Uso de instrumentos
PERTURBACIONES
VARIABLE VARIABLE
MANIPULADA CONTROLADA
PROCESO
ELEMENTO
SENSOR
FINAL DE Neumáticas
CONTROL 3-15 psig
Señal
Transmitida
CONTROLADOR TRANSMISOR
3-15 psig
 Neumático 4-20 mA  Neumático
 Electrónico  Electrónico

11. Control de Procesos
 Controlador PID
 Modos del Controlador 10
 Acción del Controlador 8
Salida
 Reajuste excesivo 6
 Algoritmos del PID 4
t
K de(t) 2
m(t)  mee  K c e(t)  c  e(t)dt  K c τ D
Error
τI 0
dt 0
0 2 4 6 8 10
Time (second)
I du
Out _ 1  K * In _ 1  * In _ 1  D * * In _ 1
s dt

12. Control de Procesos
 Efecto del PID en la respuesta a lazo cerrado
C(t)
K P
G(s)  1.0
KKc = 5 OFFSET
τs  1 KKc = 3
KKc = 2
KKc = 1
t
Kc de(t)
m(t)  mee  K c e(t) 
τI  e(t)dt  K c τD dt
0
t
C(t) Kc = 5
Kc = 2 PI PID
CSP
1.0
Kc = 0.25 Kc
Kc=0.10
Kc=0.10
Aumentar Kc, resulta en:
Kc=0.05 • Respuestas más rápidas
• Sobrepicos similares
• Menor tiempo de asentamiento
t

13. Control de Procesos
 Estabilidad y ajuste del lazo de control
 Criterios de ajuste
 Ajustes a lazo cerrado: KCU y TU
 Ajustes a lazo abierto: POMTM
C(t) C(t) ¼A m(t) Dm
¼A A
A
D C SP
C(t) Dcee
t t
Entrada de Perturbación Entrada de set - point
0 t

14. Control de Procesos
 Estabilidad y ajuste del lazo de control
 La ganancia del controlador KC debería ser inversamente proporcional al
producto de las otras ganancias del lazo de control, esto es, KC 
1/(KVKPKT)
 KC debería decrecer a medida que la relación del tiempo muerto con la
constante de tiempo dominante, D/, aumente. En general la calidad del
control disminuye a medida que D/ aumenta porque ocurren tiempos de
asentamiento mayores y desviaciones máximas más grandes.
 El tiempo integral I y el tiempo derivativo D deberían aumentar a
medida que D/ aumenta. Para estas ecuaciones de diseño el valor de la
relación D/I está típicamente entre 0.1 y 0.3. Como regla empírica se
establece que D/I = 0.25.
 Cuando se añade acción integral a un controlador sólo proporcional (P), la
TIPS ganancia KC del controlador, debe reducirse. La adición de acción
derivativa permite que KC aumente a un valor mayor que para el
controlador P.
 La relación de diseño de Ziegler-Nichols tiende a producir respuestas
oscilatorias a lazo cerrado ya que el objetivo de diseño es un razón de
asentamiento de ¼ Si se desean respuestas menos oscilatorias, se debe
.
reducir KC y aumentar I.
 De los tres criterios de integral del error, el IAET provee los ajustes más
conservadores mientras que ICE provee los menos conservadores.

15. Estrategias Avanzadas de Control
Control Feedforward
CONTROL
 Feedforward
 Estado estacionario y dinámico M(t)
C(t)
P1(t) PROCESO
 Escalamiento de variables P2(t)
Q5 =500 gpm Q2 =1000 gpm L
Q7 = 500 gpm
X5 =0.8 Lm
X2 =0.99 X7 = 0.9
Gf(s)
Gf(s) Gt(s)
Gt(s) Q6 = 3900 gpm
X6 = 0.4718
GL(s)
GL(s)
Q1=1900 gpm FT
Agua Pura 1
L/L
C(s)
CSP AT
 Gc(s)
Gc(s)  Gv(s)
Gv(s) GP(s)
GP(s)  1
FY
1C
H(s)
H(s)
I/P   X6SP AI
FY FY FY HC
1
1 1B 1A 1
 K L (τ p s  1)
Gf 
1 K f K vK p (τ L s  1)
Q(t)  (850  0.99Q2 (t))  Q2 (t)  1000
X SP
6

16. Estrategias Avanzadas de Control
 Control de relación
R = B/A
A
x B/A = R
FT A FY
R
1 1
B SP
I/P
FIC FY KB
2 1 KR  R
B KA
FT
2
B

17. Estrategias Avanzadas de Control
 Compensación del tiempo muerto
C(t) 1.4
Predictor de Smith
1.2
L
GL
1
CSP + E E’ + C
+ +
  GC GP  0.8
Proceso sin tiempo
- - muerto con control PI
0.6
C1 C2 - +
Ds
G* e-  Proceso con tiempo
0.4 muerto con control PI
C - C2
0.2
0
0 500 1000 1500 2000 t

18. Estrategias Avanzadas de Control
 Control en cascada
Sin cascada
Con cascada

19. Estrategias Avanzadas de Control
 Control selectivo
 Selección de la PV
Subasta Redundancia
Alimentación
Alimentación
Reactante
TSP
TT
TIC AC
> TT 1
1
TT
TT REACTOR
Refrigerante REACTOR
>
TT
Producto
Producto

20. Estrategias Avanzadas de Control
 Control selectivo
 Control Override
FE
SP = h2
h1 100% 50%
L L F
T C
L
C SP=f1
1 1 S 1
1
h2
F
T
1
Al Proceso
M

21. Estrategias Avanzadas de Control
 Control de rango dividido
I/P I/P
AY AY
1B 1A
AC 100
1
Ácido Base
Apertura
de las
ACV ACV 50
1B 1A Válvulas
pH
AT
1
0
0 60 100
Salida del Controlador
pH del Proceso, T

22. Anexo 1. Caracterización de procesos en el
dominio de la frecuencia
 Método de Sustitución Directa
 Criterio de bode
Anexo 2. Escalamiento de Variables
0-100% Entrada BLOQUE Salida 0-100%
0-1volt DE 0-1volt
4-20mA Normalizada CÁLCULO Normalizada 4-20 mA

23. Anexo 3. Comandos de Matlab/Simulink

24. Estructura y diagramación
 Resumen de temas tratados en el capítulo

25. Estructura y diagramación
 Cosas en que pensar
Cosas en que pensar
 ¿Qué es un parámetro de proceso?
 ¿En que consiste la función de control?
 ¿Cuáles son los componentes básicos de un lazo de control feedback?
 ¿Cuáles son las ventajas y desventajas relativas de las acciones proporcional,
integral y derivativa? ¿Cuáles son los efectos característicos en la respuesta a
lazo cerrado de un proceso?
 ¿Qué quiere decir ajustar un controlador?
 ¿Se puede diseñar un controlador que minimice el tiempo de elevación y de
asentamiento de manera simultánea? Explique.
 ¿Se puede diseñar un controlador que minimice el sobrepico y el tiempo de
asentamiento simultánea ente? Explique.
 Si la dinámica del proceso o del medidor no es bien conocida ¿Qué técnicas de
ajuste usaría? Discuta sus resultados.

26. Estructura y diagramación
 Ejercicios
 Siete ejercicios por
Pruébese Ud. misRespuestas mo capítulo
1.
a los
Repita la simulación para valores iguales del salto y del parámetro
Proportional. Cambie los valores del Libros de texto y
2.
 parámetro Integral y visualice
 ¿Qué es un proceso? Dé tres ejemplos. cambia j r i cuando cambia este
E la salidacios
e c
las respuestas. ¿Cómo exámenes
 ¿Qué es un parámetro de proceso?. Dé un e sacarparao resultados? los
parámetro? ¿Qué conclusiones puede l b sus
dejemploide cada uno de
l r
 Soluciones
siguientes procesos: Calentamiento de aire, Mezclado y Enfriamiento de un
líquido
 Describa las tres etapas de control para el calentamiento de aire.
 Explique un parámetro típico y el control para el proceso de secado de una
sustancia, tal como madera, ropa, etc.

27. Estructura y diagramación
 Lecturas adicionales
1.
Lecturas adicionales
Los siguientes textos son excelentes referencias para introducir el tema de Control
de Procesos:
 CORRIPIO, A. y SMITH, C. (1991) Control Automático de Procesos - Teoría
y Práctica. México: LUMUSA. Capítulo 5: Componentes básicos de los sistemas
de control. En este capítulo se hace una breve revisión de los sensores y los
transmisores, un estudio detallado de las válvulas de control y de los
controladores de procesos (pág. 177-223).
 Instrument Society of America. (1990) Introduction to Process Control:
Principles and Applications. Se describe de manera sencilla, con ejemplos
cotidianos e industriales, que es el control de procesos, los elementos que lo
conforman, el uso de los instrumentos, el control feedback y los modos de
control (pág. 7-88).
 MURRIL, P. (1988). Application Concepts of Process Control. North
Carolina: Instrument Society of America. Unidad 2. Control feedback: Incluye la
estructura funcional del lazo de control feedback sencillo, los componentes del
diagrama de bloques, los controladores feedback y su ajuste y la aplicación
práctica de los conceptos.

28. Contenido del CD
Respuestas a los ejercicios del libro