1. Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo
Ingeniería Automotriz
CONTROL AUTOMATICO
Dr. Mario Audelo Guevara
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Objeto de estudio
Introducción al proceso de análisis y diseño de sistemas de control.
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2. Objetivos
Analizar y diseñar sistemas de
control, a un nivel reproductivo y
productivo, aplicando conceptos,
principios y métodos en el dominio
de la frecuencia y del tiempo, para
resolver problemas de diseño
utilizando herramientas como
software moderno en sistemas de
control lineales e invariantes con el
tiempo.
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Resumen del contenido
UNIDADES
1 Introducción al control automático
2 Sistemas de control y modelos
3 Análisis de los sistemas realimentados
4 Controladores
5 Control digital-microcontroladores
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3. Método de calificación
EVALUACIONES FRECUENTES:
Resolución de problemas de cada unidad, 10% de 28 puntos (2.8).
Consultas sobre temas específicos 10% de 28 puntos (2.8).
Trabajos prácticos, 30% de 28 puntos (8.4)
EVALUACIONES PARCIALES:
Al final de cada Unidad, se receptará una prueba escrita/oral, 50% de 28
puntos (14).
EVALUACIÓN FINAL:
Prueba escrita sobre las habilidades más relevantes de cada una de las
unidades para conocer si el estudiante es capaz de demostrar los objetivos de la
asignatura. 70% de 12 puntos (8.4).
Instalación y operación de un sistema de control, 30 % de 12 puntos (3.6).
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Bibliografía
INGENIERIA DE CONTROL MODERNA. Katsuhiko Ogata. Prentice
Hall.
SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL. Benjamin C. Kuo.
CECSA.
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4. Restricciones:
Las tareas se no se podrán entregar después de la fecha indicada
Cualquier aclaración sobre faltas o no estar en listas, dirigirse
primero con el Director de Escuela.
Los exámenes se realizaran dentro del horario de clases y no se
podrán extender fuera de este.
No hay exámenes para llevar.
No se permite sacar laptops, libros, celulares en los exámenes.
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Historia del Control Automático
La historia del control automático es muy fascinante y se remonta
hasta los principios de la civilización.
Análisis de estabilidad
basado en ecs. difs
J. C. Maxwell (1868)
Reloj de agua Regulador centrífugo
(300 AC) de James Watt
(1788 DC)
Prehistoria Historia
Uso de Modelos
matemáticos
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5. Historia del Control Automático
Las primeras aplicaciones se remontan a los mecanismos
reguladores con flotador en Grecia.
Flotador con
válvula
Flotador con
apuntador
El reloj de Ktesibius fue construido alrededor
de 250 BC. Es considerado el primer sistema de
control automático de la historia.
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Historia del Control Automático
Herón de Alejandría (100 D. C.)
Publicó un libro denominado
Pneumatica en donde se describen
varios mecanismos de nivel de agua
con reguladores de flotador.
Medidor de tiempo La Fuente mágica de Herón de
Alejandría
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6. Historia del Control Automático
Sin embargo el primer trabajo significativo en control con
realimentación automática fue el regulador centrífugo de James
Watt, desarrollado en 1769
Engranes
Aceite a
Cierra
presión
Abre
Motor Carga
Combustible Válvula de control
Esquema de Regulador de velocidad moderno
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¿Que es un Sistema de Control?
Un sistema de Control es una interconexión de componentes que
forman una configuración del sistema que proporcionara una
respuesta deseada.
Un componente o proceso que vaya a ser controlado puede
representarse mediante un bloque como se muestra en la figura.
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7. Relevancia de los sistemas de control
El control automático juega un papel muy importante en el avance
de la ingeniería y la ciencia.
El control automático es una disciplina de la ingeniería automotriz
relativamente joven.
En la gran mayoría de las industrias, el control automático viene a
satisfacer las necesidades que se presentan para poder operar de
manera satisfactoria.
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Aplicaciones
Aplicaciones Modernas
Vehículos Espaciales
En los vuelos espaciales, los
sistemas de control son de gran
utilidad:
Sirven para que el vehiculo siga
fielmente la trayectoria
(hiperbólica) deseada de vuelo, la
velocidad de escape necesaria
para vencer la fuerza de gravedad,
y a la vez, contrarrestar el efecto
del viento sobre el vehiculo
espacial.
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8. Aplicaciones
Aplicaciones Modernas
Satélites
En los satélites que orbitan la
tierra, los sistemas de control son
muy útiles:
Sirven para cuando el satélite gire
de una posición a otra, los
paneles solares, los cuales son
flexibles, no oscilen, y de esta
forma los paneles solares no se
estresen y así evitar una futura
fisura en el satélite.
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Aplicaciones
Aplicaciones Modernas
Misiles
Los misiles son pioneros en la
aplicación del control automático:
El control automático se usa para
controlar la trayectoria
predefinida a seguir, al igual que
la velocidad para, a la vez como
contrarrestar las ráfagas de viento
y de esta forma poder dar en el
blanco propuesto.
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9. Aplicaciones
Aplicaciones Modernas
Robots
En el área de la robótica, el
control juega un papel central:
Por ejemplo en la foto se presenta
un robot caminador diseñado por
Honda, en donde el control
automático balancea al robot para
que este guarde el equilibrio y no
se caiga.
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Aplicaciones
Aplicaciones Modernas
Ingeniería Biomédica
En el área de la Biomédica, el
control juega un papel muy
importante:
Por ejemplo, la administración de
insulina en los enfermos de
diabetes se está realizando de
forma automatizada.
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10. Aplicaciones
Aplicaciones Industriales
Maquinas de Control Numérico
Las maquinas de control
numérico sirven en la
manufactura de piezas de diseño
muy particular o único, usando
materiales como acrílico, cobre,
entre otros:
Estas maquinas usan el control
automático para posicionar
correctamente las distintas
herramientas que se requieran en
la manufactura de una pieza.
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Aplicaciones
Aplicaciones Industriales
Ahorro de energía
Los motores eléctricos en la
industria son los principales
consumidores de energía en
donde el control automático juega
de nuevo un papel importante:
El control automático puede
minimizar de manera optima los
consumos de energía de los
motores eléctricos, además de
mantener sus velocidades
constante sin importar las
variaciones de la cargas que estén
soportando.
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11. Aplicaciones
Aplicaciones Industriales
Cuartos limpios
Los cuartos limpios son usados
en la manufactura de nano-
tecnología, medicamentos,
laboratorios de animales, etc.:
El control automático regula
varios parámetros que hacen de
estos cuartos que sean “limpios”,
tales como la temperatura,
humedad, partículas
suspendidas, luminosidad, etc.
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Aplicaciones
Aplicaciones Industriales
Industria automotriz
En la industria automotriz, el control automático está jugando un
papel muy importante que marca los avances de la tecnología
automotriz:
El control automático se usa en la inyección electrónica de
combustibles, frenos abs, bolsas de aire, control de velocidad de
crucero, entre otros.
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12. Conceptos Básicos
Sistema.- Es una combinación de componentes que actúan
conjuntamente y cumplen un objetivo específico. Por lo que podemos
encontrar sistemas mecánicos, eléctricos, biológicos, químicos,
económicos, etc.
Un sistema de control se puede considerar como una caja negra que
sirve para controlar la salida de un valor o secuencia de valores
determinados.
Entrada Proceso Salida
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Ejemplo
Ejemplo de un Sistema de Control: fijar el valor de la temperatura
deseada por medio de un horno de calefacción que se ajusta de
modo que el agua que sea bombeada a través del radiador produzca
la temperatura deseada.
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13. Ejemplo
Ejemplo de un Sistema
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Ejemplo
Ejemplo de un Sistema de Medición
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14. Ejemplo
Un sistema de medición se podría considerar como una caja negra
que se utiliza para medir. La entrada es la magnitud que se desea
medir y su salida es el valor correspondiente a dicha magnitud.
Sensor: el cual responde a la cantidad que se mide, dando como salida
una señal relacionada.
Accionador de Señal: manipula y convierte la señal de sensor una
forma adecuada.
Sistema de Presentación Visual: pantalla o display, se observa la salida
producida por el acondicionador de señal.
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Conceptos Básicos
Sistema de control en lazo cerrado.- Son en los que se mantiene una
constante medición de la señal de salida, la cual es comparada con
una señal deseada o de referencia. La diferencia existente entre ambas
señales se le conoce como error, el cual es minimizado mediante un
controlador.
Sistema de Control en Lazo Cerrado: es aquel en donde la señal de
salida tiene efecto sobre la acción de control. Se reajusta la salida
hasta obtener el valor deseado.
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15. Elementos de un Sistema en Lazo Cerrado
1. Elemento de Comparación: compara el valor deseado o de referencia de la
condición variable que se controla con el valor medido de lo que se produce
y genera una señal de error.
2. Elemento de Control: decide que acción llevar a cabo, por ejemplo una señal
para accionar un interruptor o abrir una válvula.
3. Elemento de Corrección: produce un cambio en el proceso a fin de corregir o
modificar la condición controlada. El termino actuador designa al elemento
de una unidad de corrección que proporciona la energía para realizar la
acción de control.
4. Elemento de Proceso: el proceso es lo que se está controlando.
5. Elemento de Medición: produce una señal relacionada con el estado de la
variable del proceso que se controla. Por ejemplo un termopar que produce
una f.e.m. relacionada con la temperatura.
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Elementos de un Sistema en Lazo Cerrado
Ejemplo: Persona que controla la temperatura de una habitación
Variable Controlada – temperatura de la habitación
Variable de Referencia – temperatura deseada de la habitación
Elemento de Comparación – persona que compara los valores
Señal de Error – diferencia entre la temperatura medida y deseada
Unidad de Control – persona
Unidad de Corrección – interruptor del calentador
Proceso – calentamiento mediante un calentador
Dispositivo de Medición - termómetro
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16. Ejemplo
Por ejemplo el cuerpo cuenta con un sistema de control de
temperatura. Este sistema recibe una entrada enviada por sensores
que le dicen cual es la temperatura y compara estos datos con el
valor que debe tener, a continuación produce la respuesta adecuada
a fin de lograr la temperatura requerida.
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Ejemplo
Control por retroalimentación para tomar un lápiz:
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17. Conceptos Básicos
Sistema de control en lazo abierto.- Son en los que la salida no
afecta la acción de control. Por ejemplo, la lavadora es un sistema en
lazo abierto ya que opera sobre una base de tiempo, y la salida, es
decir la limpieza de la ropa no afecta a esta.
Sistema de Control en Lazo Abierto: no se retroalimenta la información
al elemento de control para reajustar la salida y mantenerla al valor
deseado.
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Ejemplo
Control en Lazo Abierto:
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18. Sistemas en Lazo Abierto y Lazo Cerrado
Los sistemas de lazo abierto tiene la ventaja de ser relativamente
sencillos, por lo que su costo es bajo y en general su confiabilidad es
buena. Sin embargo pueden ser imprecisos ya que no hay correción
de errores.
Los sistemas de lazo cerrado tienen la ventaja de ser bastante
precisos para igualar el valor real y el deseado, pero son más
complejos y costosos.
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Sistemas en Lazo Abierto y Lazo Cerrado
LAZO ABIERTO LAZO CERRADO
Ventajas: Ventajas:
•Fácil de implementar •Si existe un error en la salida
•Sencillo el control lo compensa.
•Económico • Si hay perturbaciones el
Desventajas: control las compensa.
•Si existe un error en la salida, el • Puede utilizar componentes
control no lo compensa. imprecisos y baratos.
• Si hay perturbaciones, el control Desventajas:
no las compensa. •A veces complicado para
• La efectividad depende de la implementar
calibración. • Tiene más componentes que un
•Necesita componentes precisos control a lazo abierto.
• Utiliza más potencia.
• Necesita sensores que pueden no
ser económicos.
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19. Conceptos Básicos
Variable de referencia.- Es lo que se desea ver reflejado en la
salida o en la variable controlada.
Variable de error.- Es la desviación de la salida o variable
controlada con respecto a la variable de referencia.
Variable de control.- Es la cantidad o condición modificada por el
controlador.
Variable controlada.- Cantidad o condición que se mide y controla.
Perturbación.- Es una señal que puede ser interna o externa y
tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema.
Proceso. Es el desarrollo natural de un acontecimiento,
caracterizado por una serie de eventos o cambio graduales,
progresivamente continuos y que tienden a un resultado final.
Planta. Conjunto de piezas de una maquinaria que tienen por
objetivo realizar cierta actividad en conjunto. En sistemas de
control, por planta se entiende el sistema que se quiere controlar.
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Ejercicio
Sistema de control de la velocidad de un vehiculo
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20. Ejercicio
Sistema de control para una mesa giratoria que asegure que la
velocidad real de rotación está dentro de un porcentaje especificado
de la velocidad deseada
Sistema sin realimentación
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Sistema con realimentación
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21. Conceptos Básicos
Sistemas de control
Sistemas de control lineal.- Estos sistemas cumplen con el principio
de superposición. Este principio establece que la respuesta producida
por la aplicación simultánea de “x” funciones de entradas diferentes es
la suma de las “x” respuestas individuales.
Sistemas de control no lineal.- Son los sistemas en los que no aplica
el principio de superposición.
Sistemas de control discreto.- Son aquellos en los que se desean
implementar en un medio digital, para lo cual se necesita una
descripción discreta de la planta.
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Conceptos Básicos
Técnicas de control
Control óptimo.- La ley de control se desarrolla en base a la
minimización de criterios. Por ejemplo se pueden usar criterios de
energía, error, etc.
Control adaptivo.- Cuando se desconocen parámetros de la planta, la
ley de control se construye en base a esta incertidumbre, cumpliendo
con los objetivos del control y además entregando una estimación de
los parámetros desconocidos.
Control inteligente.- Incluye técnicas como Redes Neuronales, Lógica
Difusa, Algoritmos Genéticos, etc, o una combinación de estas.
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22. Controladores Basados en Microprocesadores
Los microcontroladores se utilizan en general para operaciones de
control. Ofrecen la ventaja de que mediante su uso es factible
emplear una gran variedad de programas.
Una opción más adaptable es el controlador lógico programable. Se
trata de un controlador basado en un µProcesador en el que se
utiliza una memoria programable para guardar instrucciones e
implantar funciones lógicas y secuenciales.
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Controladores Basados en Microprocesadores
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