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INTRODUCCIÓN A LOS
SISTEMAS DE CONTROL
    Ing. Alejandra Escobar




                   Instrumentación y Control. Unidad I
Sistemas de Control
 Los sistemas de control tienen una larga
  historia que comenzó con el deseo
  primordial de los seres humanos de
  dominar los materiales y las fuerzas de la
  naturaleza en su provecho.
 Los primeros ejemplos de dispositivos de
  control incluyen los sistemas de regulación
  de relojes y los mecanismos para mantener
  los molinos de viento orientados en la
  dirección del viento.
 Las plantas industriales modernas poseen
  sofisticados sistemas de control que son
  cruciales para su correcta operación. I
                            Instrumentación y Control. Unidad
¿Dónde se usa Control?
 Procesos industriales.    Instrumentación.
 Generación de             Barcos.
  energía.                  Artefactos
 Transporte.                electrónicos.
 Transmisión de            Aviones.
  energía.                  Economía.
 Autos.                    Naves espaciales.
 Mecatrónica.              Medicina.
  Un mejor control es la clave tecnológica para
 Trenes.
lograr productos de mayor calidad, minimización
     de desperdicios, protección del medio
  ambiente, mayor rendimiento de la capacidad
  instalada y mayores márgenes de seguridad.
                           Instrumentación y Control. Unidad I
Definiciones
  Básicas


       Instrumentación y Control. Unidad I
Sistema
 Un sistema es una combinación de
  componentes que actúan juntos y
  realizan un objetivo determinado.
 Un sistema no necesariamente es
  físico.
 Se aplica a fenómenos abstractos y
  dinámicos. (sistemas económicos)
 Implicación
  físicos, químicos, biológicos, económi
  cos y similares.     Instrumentación y Control. Unidad I
Proceso
 Operación o un desarrollo de natural
  progresivamente continuo, marcado por
  una serie de cambios graduales que se
  suceden uno al otro en forma
  relativamente fija y que conduce a un
  resultado o propósito determinado.
 Operación artificial o voluntaria
  progresiva que consiste en una serie de
  acciones o movimientos controlados
  sistemáticamente dirigidos hacia un
  propósito determinado.Instrumentación y Control. Unidad I
Plantas
   Parte de un equipo, o partes de
    máquinas que funcionan juntas, las
    cuales ejecutan una operación
    particular para el logro de un fin.




                         Instrumentación y Control. Unidad I
Variables
 Variable Controlada: cantidad o
  condición que se mide o controla.
 Variable Manipulada: cantidad o
  condición que el controlador modifica
  para afectar el valor de la variable
  controlada
Perturbación
   Señal que tiende a afectar
    adversamente el valor deseado. Puede
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    externa.
                         Instrumentación y Control. Unidad I
Estabilidad
   Capacidad de un instrumento para
    mantener su comportamiento durante
    su vida útil y de almacenamiento de
    datos especificados.

Controlar
   Medir el valor de la variable
    controlada y aplicar la variable
    manipulada del sistema para corregir
    o limitar una desviación del valor
                         Instrumentación y Control. Unidad I
Acción de Control
   Verificación para garantizar que
    ocurra lo que se desea y obtener lo
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Sistemas de Control
   Conjunto de componentes que
    pueden regular su propia conducta o
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    un funcionamiento predeterminado
    par reducir las probabilidades de fallos
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                          Instrumentación y Control. Unidad I
Clasificación de los
Sistemas de Control
   Sistema de control de lazo abierto:
    es aquel en el cual la acción de control
    es independiente de la salida.

   Sistema de control de lazo cerrado:
    es aquel en el cual la acción de control
    depende, de alguna manera de la
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                          Instrumentación y Control. Unidad I
Control de Realimentación
   Operación que, en presencia de
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    diferencia entre la salida y la entrada de
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    parámetro de control.   Instrumentación y Control. Unidad I
Sistema de regulación
automática
   Es un sistema de control realimentado
    en el que la entrada de referencia o la
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    constantes, o varían lentamente en el
    tiempo, y donde la tarea fundamental
    consiste en mantener la salida en el
    valor deseado a pesar de las
    perturbaciones.

                          Instrumentación y Control. Unidad I
Control en Lazo Abierto
 Los sistemas de control de lazo abierto
  son sistemas de control en los que la
  salida no tiene efecto sobre la acción de
  control.
 No existe acción de realimentación, para
  comparación de la señal de salida con la
  entrada de referencia, ni por tanto es
  necesario la medida de la variable de
  salida.

                        Instrumentación y Control. Unidad I
Control en Lazo Abierto
   Para cada entrada de referencia
    corresponde una condición de operación
    fijada.
   La exactitud del sistema depende de la
    calibración.
   En presencia de perturbaciones no
    cumple su función asignada.
   Solo se debe usar cuando se conoce la
    relación entre la entrada y salida del
    sistema, y si no hay perturbaciones ni
    internas ni externas.
   Ejemplos: lavadora, control de tráfico por
    tiempos, etc.
                           Instrumentación y Control. Unidad I
Control en Lazo Cerrado
 Es aquel en el que la señal de salida
  tiene efecto directo sobre la acción de
  control
 El término “lazo cerrado” implica el uso
  de acción de realimentación para reducir
  el error del sistema




                        Instrumentación y Control. Unidad I
Lazo Abierto vs Lazo Cerrado
   En lazo cerrado, el uso de realimentación hace
    al sistema relativamente insensible a
    perturbaciones externas, y a variaciones
    internas de parámetros del sistema.
   En lazo abierto la estabilidad es más fácil de
    lograr.
   En lazo cerrado la estabilidad constituye un
    problema      importante:      se    producen
    oscilaciones.
      Lazo abierto: sistemas con entradas conocidas
       previamente y sin perturbaciones.
      Lazo cerrado: si se presentan perturbaciones no
       previstas  y     variaciones   impredecibles de
                                Instrumentación y Control. Unidad I
Diagrama de Bloques
   Un diagrama de bloques es un
    representación gráfica y abreviada de
    la relación causa y efecto entre la
    entrada y la salida de un sistema
    físico. Proporciona un método útil y
    conveniente para caracterizar las
    relaciones funcionales entre los
    diversos componentes de un sistema
    de control.
                         Instrumentación y Control. Unidad I
Componentes de un
Diagrama de Bloques
 Bloque:  El interior del rectángulo que
  representa el bloque, usualmente
  contiene la descripción o el nombre del
  elemento, o el símbolo de la operación
  matemática que se va a efectuar sobre
  la entrada para producir la salida.
 Flechas: representan la dirección de la
  información o el flujo de la señal.

                        Instrumentación y Control. Unidad I
Componentes de un
Diagrama de Bloques
 Punto de suma: representa las
  operaciones de adición y
  sustracción, con el signo apropiado mas
  o menos, asociado con las flechas que
  entran al circulo. La salida es la suma
  algebraica de las entradas.
 Punto de toma o punto de reparto: Es
  aquel que se usa para hacer que la
  misma señal o variable sea una entrada
  a más de un bloque. Este permite que la
  señal prosiga inalterada por diferentes
  trayectorias a varios destinos.
                        Instrumentación y Control. Unidad I
Componentes de un
Diagrama de Bloques




               Instrumentación y Control. Unidad I
Ejemplo. Lazo Abierto




Se observa la característica o variable específica del
sistema, la salida que se desea controlar, se conoce
como variable controlada, en tanto que la
característica o variable que se determina por medio
de la acción de control se conoce como entrada de
control.                        Instrumentación y Control. Unidad I
Ejemplo. Lazo Cerrado




En todos los casos existe un instrumento de medición
(sensor) o elemento de realimentación que mide la
variable de salida o del sistema que interesa y
transmite la medida a un controlador. Este compara la
señal con el valor deseado, y envía las instrucciones
pertinentes al mecanismo actuador, que a su vez
actúa sobre el sistema u objeto Instrumentación y Control. Unidad I
                                 de control.
Reducción de Diagramas
de Bloque
   Es la simplificación (obtención) de la
    función de trasferencia que describe
    todo el proceso en estudio.

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    consideración.
                          Instrumentación y Control. Unidad I
Forma Canónica de un
sistema se control a Lazo
Cerrado
                   R(s) = entrada
                   C(s) = salida
                   G(s) = Función de
                   transferencia directa
                   H(s) = Función de
                   transferencia de
                   realimentación
                   G(s).H(s) = Función de
                   transferencia de lazo abierto
                   C(s)/R(s) = Función de
                   transferencia de lazo cerrado
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                 Instrumentación y Control. Unidad I
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de Diagramas de Bloques




                  Instrumentación y Control. Unidad I
Teoremas para la Transformación
de Diagramas de Bloques




                  Instrumentación y Control. Unidad I
Pasos para la Reducción de
Diagramas de Bloques
Paso1: Combinar todos los bloques en cascada
 usando la transformación 1.
Paso2: Combinar todos los bloques en paralelo.
Paso3: Eliminar todos los lazos menores de
 realimentación usando la transformación 6.
Paso4: Desplazar los puntos de suma hacia la
 derecha o a la izquierda, y/o los puntos de toma
 hacia la derecha o a la izquierda del lazo principal
 usando la transformaciones indicadas.
Paso5: Repetir los pasos del 1 al 5 para cada una de
 las entradas según sea necesario.

                               Instrumentación y Control. Unidad I
Ejemplo…
Reducir el siguiente diagrama de bloques
a una forma canónica




                         Instrumentación y Control. Unidad I
Del Diagrama de Bloques al
Diagrama de Flujo




                Instrumentación y Control. Unidad I
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              Instrumentación y Control. Unidad I

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Introducción a los sistemas de control

  • 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL Ing. Alejandra Escobar Instrumentación y Control. Unidad I
  • 2. Sistemas de Control  Los sistemas de control tienen una larga historia que comenzó con el deseo primordial de los seres humanos de dominar los materiales y las fuerzas de la naturaleza en su provecho.  Los primeros ejemplos de dispositivos de control incluyen los sistemas de regulación de relojes y los mecanismos para mantener los molinos de viento orientados en la dirección del viento.  Las plantas industriales modernas poseen sofisticados sistemas de control que son cruciales para su correcta operación. I Instrumentación y Control. Unidad
  • 3. ¿Dónde se usa Control?  Procesos industriales.  Instrumentación.  Generación de  Barcos. energía.  Artefactos  Transporte. electrónicos.  Transmisión de  Aviones. energía.  Economía.  Autos.  Naves espaciales.  Mecatrónica.  Medicina. Un mejor control es la clave tecnológica para  Trenes. lograr productos de mayor calidad, minimización de desperdicios, protección del medio ambiente, mayor rendimiento de la capacidad instalada y mayores márgenes de seguridad. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 4. Definiciones Básicas Instrumentación y Control. Unidad I
  • 5. Sistema  Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado.  Un sistema no necesariamente es físico.  Se aplica a fenómenos abstractos y dinámicos. (sistemas económicos)  Implicación físicos, químicos, biológicos, económi cos y similares. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 6. Proceso  Operación o un desarrollo de natural progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en forma relativamente fija y que conduce a un resultado o propósito determinado.  Operación artificial o voluntaria progresiva que consiste en una serie de acciones o movimientos controlados sistemáticamente dirigidos hacia un propósito determinado.Instrumentación y Control. Unidad I
  • 7. Plantas  Parte de un equipo, o partes de máquinas que funcionan juntas, las cuales ejecutan una operación particular para el logro de un fin. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 8. Variables  Variable Controlada: cantidad o condición que se mide o controla.  Variable Manipulada: cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada Perturbación  Señal que tiende a afectar adversamente el valor deseado. Puede generarse dentro del sistemas o ser externa. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 9. Estabilidad  Capacidad de un instrumento para mantener su comportamiento durante su vida útil y de almacenamiento de datos especificados. Controlar  Medir el valor de la variable controlada y aplicar la variable manipulada del sistema para corregir o limitar una desviación del valor Instrumentación y Control. Unidad I
  • 10. Acción de Control  Verificación para garantizar que ocurra lo que se desea y obtener lo requerido. Sistemas de Control  Conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado par reducir las probabilidades de fallos y obtener buenos resultados. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 11. Clasificación de los Sistemas de Control  Sistema de control de lazo abierto: es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida.  Sistema de control de lazo cerrado: es aquel en el cual la acción de control depende, de alguna manera de la salida. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 12. Control de Realimentación  Operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida y la entrada de referencia de un sistema. Sistema de Control de Realimentación  Aquel que tiende a mantener una relación preestablecida entre la salida y la entrada de referencia, comparando ambas y utilizando la diferencia como parámetro de control. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 13. Sistema de regulación automática  Es un sistema de control realimentado en el que la entrada de referencia o la salida deseada son, o bien constantes, o varían lentamente en el tiempo, y donde la tarea fundamental consiste en mantener la salida en el valor deseado a pesar de las perturbaciones. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 14. Control en Lazo Abierto  Los sistemas de control de lazo abierto son sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control.  No existe acción de realimentación, para comparación de la señal de salida con la entrada de referencia, ni por tanto es necesario la medida de la variable de salida. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 15. Control en Lazo Abierto  Para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fijada.  La exactitud del sistema depende de la calibración.  En presencia de perturbaciones no cumple su función asignada.  Solo se debe usar cuando se conoce la relación entre la entrada y salida del sistema, y si no hay perturbaciones ni internas ni externas.  Ejemplos: lavadora, control de tráfico por tiempos, etc. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 16. Control en Lazo Cerrado  Es aquel en el que la señal de salida tiene efecto directo sobre la acción de control  El término “lazo cerrado” implica el uso de acción de realimentación para reducir el error del sistema Instrumentación y Control. Unidad I
  • 17. Lazo Abierto vs Lazo Cerrado  En lazo cerrado, el uso de realimentación hace al sistema relativamente insensible a perturbaciones externas, y a variaciones internas de parámetros del sistema.  En lazo abierto la estabilidad es más fácil de lograr.  En lazo cerrado la estabilidad constituye un problema importante: se producen oscilaciones.  Lazo abierto: sistemas con entradas conocidas previamente y sin perturbaciones.  Lazo cerrado: si se presentan perturbaciones no previstas y variaciones impredecibles de Instrumentación y Control. Unidad I
  • 18. Diagrama de Bloques  Un diagrama de bloques es un representación gráfica y abreviada de la relación causa y efecto entre la entrada y la salida de un sistema físico. Proporciona un método útil y conveniente para caracterizar las relaciones funcionales entre los diversos componentes de un sistema de control. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 19. Componentes de un Diagrama de Bloques  Bloque: El interior del rectángulo que representa el bloque, usualmente contiene la descripción o el nombre del elemento, o el símbolo de la operación matemática que se va a efectuar sobre la entrada para producir la salida.  Flechas: representan la dirección de la información o el flujo de la señal. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 20. Componentes de un Diagrama de Bloques  Punto de suma: representa las operaciones de adición y sustracción, con el signo apropiado mas o menos, asociado con las flechas que entran al circulo. La salida es la suma algebraica de las entradas.  Punto de toma o punto de reparto: Es aquel que se usa para hacer que la misma señal o variable sea una entrada a más de un bloque. Este permite que la señal prosiga inalterada por diferentes trayectorias a varios destinos. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 21. Componentes de un Diagrama de Bloques Instrumentación y Control. Unidad I
  • 22. Ejemplo. Lazo Abierto Se observa la característica o variable específica del sistema, la salida que se desea controlar, se conoce como variable controlada, en tanto que la característica o variable que se determina por medio de la acción de control se conoce como entrada de control. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 23. Ejemplo. Lazo Cerrado En todos los casos existe un instrumento de medición (sensor) o elemento de realimentación que mide la variable de salida o del sistema que interesa y transmite la medida a un controlador. Este compara la señal con el valor deseado, y envía las instrucciones pertinentes al mecanismo actuador, que a su vez actúa sobre el sistema u objeto Instrumentación y Control. Unidad I de control.
  • 24. Reducción de Diagramas de Bloque  Es la simplificación (obtención) de la función de trasferencia que describe todo el proceso en estudio.  Función de Trasferencia: esta se define como una relación entrada – salida y representa la relación que describe la dinámica del sistema bajo consideración. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 25. Forma Canónica de un sistema se control a Lazo Cerrado R(s) = entrada C(s) = salida G(s) = Función de transferencia directa H(s) = Función de transferencia de realimentación G(s).H(s) = Función de transferencia de lazo abierto C(s)/R(s) = Función de transferencia de lazo cerrado E(s)/R(s) = relación de error Instrumentación y Control. Unidad I
  • 26. Teoremas para la Transformación de Diagramas de Bloques Instrumentación y Control. Unidad I
  • 27. Teoremas para la Transformación de Diagramas de Bloques Instrumentación y Control. Unidad I
  • 28. Pasos para la Reducción de Diagramas de Bloques Paso1: Combinar todos los bloques en cascada usando la transformación 1. Paso2: Combinar todos los bloques en paralelo. Paso3: Eliminar todos los lazos menores de realimentación usando la transformación 6. Paso4: Desplazar los puntos de suma hacia la derecha o a la izquierda, y/o los puntos de toma hacia la derecha o a la izquierda del lazo principal usando la transformaciones indicadas. Paso5: Repetir los pasos del 1 al 5 para cada una de las entradas según sea necesario. Instrumentación y Control. Unidad I
  • 29. Ejemplo… Reducir el siguiente diagrama de bloques a una forma canónica Instrumentación y Control. Unidad I
  • 30. Del Diagrama de Bloques al Diagrama de Flujo Instrumentación y Control. Unidad I
  • 31. Formula de Masson  Instrumentación y Control. Unidad I