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INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
INSTITUTO POLITÉCNICO AGROINDUSTRIAL
PROFESOR:
ING. RONADL TORREJON
CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN SISTEMAS DE CONTROL:
La Ingeniería de Control surge por la necesidad del hombre de mejorar
su estándar de vida y de que algunas tareas sean realizadas en forma automática,
es decir no requieren intervención directa del hombre.
Para entrar al estudio de los Sistemas de Control, se deben definir los
siguientes términos:
Proceso
Sistema
Control
Planta
Conjunto de fases consecutivas en un fenómeno
natural, en un área o en una actividad, que tiene
cambios de estado de acuerdo a condiciones
dadas.
Ejemplo: Procesos eléctricos, mecánicos,
manufactura, alimentos, energía, hidrocarburos,
transporte, comunicaciones, entre otros.
Concepto de Proceso:
Fabrica de Manufactura
Concepto de Planta:
Conjunto de equipos o elementos de
maquinas que actúan juntos con el propósito
de realizar una operación en particular.
Ejemplo: Plantas eléctricas, de Gas,
Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de
fabricación, entre otros.
Planta de Hidrocarburos
Concepto de Sistema:
Conjunto de elementos y reglas que organizados e interrelacionados entre si,
contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los definen,
que pueden ser constantes (parámetros del sistema) y cambiantes en el tiempo
(variables del sistema) las cuales permiten determinar su comportamiento.
SISTEMAEntrada Salida
Elementos y Reglas
Parámetros del Sistema
Variables del Sistema
Concepto de Control:
Es una estrategia que verifica lo que ocurre (realidad) con respecto a lo que debería
ocurrir (objetivo) y de no existir concordancia se toman acciones para corregir la
diferencia.
CONTROL
Objetivo
Acción
Realidad
Concepto de Sistema de Control:
Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones
corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y
aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las
condiciones deseadas.
Mide el Nivel
Tanque
Abre Válvula
Salida de Fluido
Regula el Nivel
Acelerador
Velocidad
Real
Velocidad
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Medidor
VehículoConductor Acción
Control de Nivel en un Tanque Control de Velocidad en un Vehículo
METODOLOGIA APLICADA AL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL:
Proceso
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Modelos
Matemáticos
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Controladores
Estrategias
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Valido?
Implementación
SI
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Especificaciones
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Unidad 2
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ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Proceso:
es el objeto o elemento a regular, es decir donde se darán los cambios.
Variables:
Variable Controlada: variable a mantener dentro de ciertas condiciones.
Variable Manipulada: variable modificada intencionalmente para influir en la
variable controlada.
Valor Deseado: valor de referencia al cual se quiere llevar la variable controlada.
Variable de Perturbación: variable que produce desviación entre la variable
controlada y el valor deseado.
Instrumentos:
Medidor: elemento a través del cual se visualiza el comportamiento de las
variables.
Controlador: dispositivo que permite evaluar las condiciones para emitir las
acciones de control.
Actuador: dispositivo que ejecuta la acción de control directa sobre el proceso.
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Tanque de
Agua
Flotador
Proceso: Tanque
Sistema de Control de NIVEL
Variable controlada: Nivel Tanque
Variable manipulada: Flujo entrada
Valor deseado: Altura del tanque
Variable de perturbación: Filtración
Medidor: Flotador
Actuador: Flotador
Controlador: Flotador
Proceso: Tanque
Variable controlada: Nivel Tanque
Variable manipulada: Flujo salida
Valor deseado: Altura del tanque
Variable de perturbación: Filtración
Medidor: Observador (persona)
Actuador: Válvula Manual
Controlador: Operador (persona)
Tanque
de Agua
Válvula
V-1
FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN APLICADOS AL CONTROL :
Variables: se relacionan con la naturaleza del proceso a controlar. Son tan diversas
como los procesos. Ejemplo: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Corriente, Voltaje,
Densidad, Peso, Posición, Frecuencia, etc.
Instrumentos: dispositivos que miden, indican, controlan, almacenan información,
manipulan mecanismos y modifican estados. Influyen en las variables y los estados del
proceso.
La Instrument Sociaty American (ISA) establece la nomenclatura y simbología de
los instrumentos utilizados en la ingeniería de control. Permite identificar y representar los
sistemas de control a través de los diagramas de instrumentación.
El formato para la identificación del instrumento según la ISA es el siguiente:
XXYY – ZZ – NN
XXYY: Identificación del Instrumento. Este código esta formado por dos subcodigos.
El primero (XX) se refiere a la variable y el segundo a la función del instrumento.
ZZ: Identificación del Lazo o Área en el cual se encuentra ubicado el instrumento.
NN: Identificación del número del instrumento en una misma función. (Opcional)
CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN CONTROL :
Función:
Controlador: ejecuta algoritmos de control
Transmisor: mide y transmite variables en forma de señales
Válvulas: ejecutan acciones sobre los procesos
Elementos finales: ejecutan acciones. Relés, bombas.
Convertidores I/P: convierten señales de presión a corriente
Sensores: detectan una condición del proceso
Energía:
Electrónico: funciona con corriente, voltaje.
Neumático: funciona con presión de aire
Hidráulico: funciona con presión de aceite
Señal:
Analógica: funciones continuas. Rango de
valores.
(Presión, temperatura, tiempo, etc.)
Digital: funciones binarias. Dos estados (ON/FF)
SIMBOLOGIA PARA DIAGRAMA DE INSTRUMENTOS :
CONEXIÓN AL PROCESO
O ENLACE MECANICO
CONEXIÓN SEÑAL
NEUMATICA
(PRESIÓN AIRE)
-
CONEXIÓN SEÑAL
HIDRAULICA
(PRESIÓN ACEITE)
CONEXIÓN SEÑAL
ELECTRICA
(ELECTRONICO)
CONEXIÓN SEÑAL
ELECTROMAGNETICA
( INALAMBRICO)
XXYY
ZZ-NN
SIMBOLO
INSTRUMENTO
(TRANSMISOR, CONTROLADOR, ETC)
V-1
V-2
V-3 V-4
E-1
Válvula
Manual
Válvula Control
Neumática
Válvula Control
Motorizada
Válvula Solenoide Bomba Eléctrica
s
TABLA PARA LA IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS :
TT-A1-2 Transmisor de Temperatura del Área A1, Instrumento 2
FRC-10-2 Controlador Registrador de Flujo del Área 10, Instrumento 2
FT-12-1 Transmisor de Flujo del Área 12, Instrumento 1.
LSL-10-1 Interruptor de Bajo nivel del Área 10, Instrumento 1.
PDI-10-1 Indicador de Presión Diferencial del Área 10, Instrumento 1.
TT
TC
Vapor
Válvula
Intercambiador
Entrada fluido
Transmisor de
Temperatura
Controlador de
Temperatura
El siguiente diagrama de instrumentación de un proceso industrial, corresponde a un intercambiador de
calor utilizado para calentar un fluido. Un transmisor de temperatura (TT) permite medir la temperatura
del fluido e indica a un controlador (TC) para que este opere una válvula que deja pasar vapor hacia el
recipiente. Identificar los elementos del sistema de control.
Salida fluido
EJEMPLOS DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:
Proceso: Intercambiador de Calor
Variable controlada: Temperatura fluido
Variable manipulada: Flujo Vapor
Valor deseado: Temperatura T
Variable de perturbación: Temp. Externa
Medidor: Transmisor de Temperatura TT
Actuador: Válvula
Controlador: Controlador TC
Valor deseado T
PV-01-1
01-1
01-1
PT
IP
01-1
PC
S-7
MEDIDOR
(TRANSMISOR DE
PRESIÓN)
CONVERTIDOR
(CORRIENTE A
PRESIÓN)
VALVULA NEUMATICA
PARA CONTROL DE
PRESIÓN
CONTROLADOR DE
PRESIÓN
(ELECTRONICO)
F
SP
(VALOR DESEADO)
LÍNEA DISTRIBUCIÓN
DE GAS
Dibujar un diagrama de proceso e instrumentación, para controlar la presión de
una la línea de gas, utilizando una válvula de control neumática y un controlador
electrónico.
EJEMPLO DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:
DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Son representaciones graficas utilizadas para expresar a través de bloques
las conexiones funcionales de los elementos del sistema de control.
Flechas: representan las variables controladas y no controladas (Señales).
Bloques: representan los elementos de control (medidores, controladores,
proceso y demás dispositivos.
Comparadores: compara las señales del sistema, dando como resultado
la adición o diferencia de señales. También se les dice puntos de suma o
diferencia.
Los elementos utilizados para construir los diagramas de bloques son:
Proceso: objeto en el cual se desea implementar el control
Variable Controlada: variable real del proceso que se va a controlar
Variable de Referencia: valor deseado para la variable a controlar
Medidor: mide el valor real de la variable controlada
Controlador: ejecuta el método y algoritmo para controlar
Actuador: realiza la acción directa sobre el proceso
Error: diferencia entre le valor real y el valor deseado de la variable controlada
Señal de Regulación: salida del controlador
Señal Regulada: salida del Actuador
Señal de Perturbación: variables no controlada que afecta al proceso
Señal Medida: salida del medidor
DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL:
Un contenedor con flujo constante de agua, como se muestra en la figura, va a ser regulado de tal
forma que la temperatura de salida del agua (T2), se mantenga constante. Dibuje un diagrama de
bloques, de manera que muestre como funciona el sistema de control. La temperatura ambiental es T1.
Que variable se puede tomar como disturbio o alteración del sistema?
RESISTENCIA DE
CALENTAMIENTO
AMPLIFICADOR
+ - +AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
MEDIDOR DE
TEMPERATURA
T1
T2
R
-
POTENCIOMETRO
EJEMPLO:
TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS:
Control Manual
Control Automático
Interviene directamente la mano del hombre en la acción de control.
Ejemplo: Válvula manual a la salida del tanque de riego.
No se requiere la intervención ni la supervisión del hombre
Ejemplo: Control de Temperatura del contenedor de agua caliente.
Es aquel en el que la salida no influye sobre la acción de control.
Su esquema básico es:
Control a Lazo Abierto
SISTEMA DE
REGULACION PROCESO, OBJETO
SALIDA
ENTRADA
Influencia
Señal de
Regulación
Se produce cuando la salida del sistema vuelve a ingresar al sistema para la acción de
control. Este esquema se llama retroalimentación permite el control automático de un
sistema.
El esquema básico del Control a Lazo Cerrado es:
SISTEMA DE REGULACION
SISTEMA, PROCESO, OBJETO
SALIDA
ENTRADA
Perturbaciones
Observación
Señal de Medición
Influencia
Señal de Regulación
Control a Lazo Cerrado
TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS:
EJEMPLO:
Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para los procesos de control de
nivel con y sin flotador, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables
principales (Referencia, Controlada, Disturbio), así como el tipo de control.
Caso sin flotador:
CONTROL MANUAL
A LAZO CERRADO
Caso con flotador:
CONTROL AUTOMATICO
A LAZO CERRADO
EJEMPLO:
Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para un aire acondicionado integral
de una vivienda, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables principales
(Referencia, Controlada, Disturbio). Dibujar un diagrama a Lazo Abierto y otro a Lazo Cerrado
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  • 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL INSTITUTO POLITÉCNICO AGROINDUSTRIAL PROFESOR: ING. RONADL TORREJON
  • 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN SISTEMAS DE CONTROL: La Ingeniería de Control surge por la necesidad del hombre de mejorar su estándar de vida y de que algunas tareas sean realizadas en forma automática, es decir no requieren intervención directa del hombre. Para entrar al estudio de los Sistemas de Control, se deben definir los siguientes términos: Proceso Sistema Control Planta
  • 3. Conjunto de fases consecutivas en un fenómeno natural, en un área o en una actividad, que tiene cambios de estado de acuerdo a condiciones dadas. Ejemplo: Procesos eléctricos, mecánicos, manufactura, alimentos, energía, hidrocarburos, transporte, comunicaciones, entre otros. Concepto de Proceso: Fabrica de Manufactura Concepto de Planta: Conjunto de equipos o elementos de maquinas que actúan juntos con el propósito de realizar una operación en particular. Ejemplo: Plantas eléctricas, de Gas, Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de fabricación, entre otros. Planta de Hidrocarburos
  • 4. Concepto de Sistema: Conjunto de elementos y reglas que organizados e interrelacionados entre si, contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los definen, que pueden ser constantes (parámetros del sistema) y cambiantes en el tiempo (variables del sistema) las cuales permiten determinar su comportamiento. SISTEMAEntrada Salida Elementos y Reglas Parámetros del Sistema Variables del Sistema Concepto de Control: Es una estrategia que verifica lo que ocurre (realidad) con respecto a lo que debería ocurrir (objetivo) y de no existir concordancia se toman acciones para corregir la diferencia. CONTROL Objetivo Acción Realidad
  • 5. Concepto de Sistema de Control: Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las condiciones deseadas. Mide el Nivel Tanque Abre Válvula Salida de Fluido Regula el Nivel Acelerador Velocidad Real Velocidad Deseada Medidor VehículoConductor Acción Control de Nivel en un Tanque Control de Velocidad en un Vehículo
  • 6. METODOLOGIA APLICADA AL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL: Proceso (Realidad) Modelos Matemáticos Análisis Controladores Estrategias (Simulación) Valido? Implementación SI NO Especificaciones Unidad 1 Unidad 2 Unidad 3 Unidad 4
  • 7. ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL: Proceso: es el objeto o elemento a regular, es decir donde se darán los cambios. Variables: Variable Controlada: variable a mantener dentro de ciertas condiciones. Variable Manipulada: variable modificada intencionalmente para influir en la variable controlada. Valor Deseado: valor de referencia al cual se quiere llevar la variable controlada. Variable de Perturbación: variable que produce desviación entre la variable controlada y el valor deseado. Instrumentos: Medidor: elemento a través del cual se visualiza el comportamiento de las variables. Controlador: dispositivo que permite evaluar las condiciones para emitir las acciones de control. Actuador: dispositivo que ejecuta la acción de control directa sobre el proceso.
  • 8. EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL: Tanque de Agua Flotador Proceso: Tanque Sistema de Control de NIVEL Variable controlada: Nivel Tanque Variable manipulada: Flujo entrada Valor deseado: Altura del tanque Variable de perturbación: Filtración Medidor: Flotador Actuador: Flotador Controlador: Flotador Proceso: Tanque Variable controlada: Nivel Tanque Variable manipulada: Flujo salida Valor deseado: Altura del tanque Variable de perturbación: Filtración Medidor: Observador (persona) Actuador: Válvula Manual Controlador: Operador (persona) Tanque de Agua Válvula V-1
  • 9. FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN APLICADOS AL CONTROL : Variables: se relacionan con la naturaleza del proceso a controlar. Son tan diversas como los procesos. Ejemplo: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Corriente, Voltaje, Densidad, Peso, Posición, Frecuencia, etc. Instrumentos: dispositivos que miden, indican, controlan, almacenan información, manipulan mecanismos y modifican estados. Influyen en las variables y los estados del proceso. La Instrument Sociaty American (ISA) establece la nomenclatura y simbología de los instrumentos utilizados en la ingeniería de control. Permite identificar y representar los sistemas de control a través de los diagramas de instrumentación. El formato para la identificación del instrumento según la ISA es el siguiente: XXYY – ZZ – NN XXYY: Identificación del Instrumento. Este código esta formado por dos subcodigos. El primero (XX) se refiere a la variable y el segundo a la función del instrumento. ZZ: Identificación del Lazo o Área en el cual se encuentra ubicado el instrumento. NN: Identificación del número del instrumento en una misma función. (Opcional)
  • 10. CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN CONTROL : Función: Controlador: ejecuta algoritmos de control Transmisor: mide y transmite variables en forma de señales Válvulas: ejecutan acciones sobre los procesos Elementos finales: ejecutan acciones. Relés, bombas. Convertidores I/P: convierten señales de presión a corriente Sensores: detectan una condición del proceso Energía: Electrónico: funciona con corriente, voltaje. Neumático: funciona con presión de aire Hidráulico: funciona con presión de aceite Señal: Analógica: funciones continuas. Rango de valores. (Presión, temperatura, tiempo, etc.) Digital: funciones binarias. Dos estados (ON/FF) SIMBOLOGIA PARA DIAGRAMA DE INSTRUMENTOS : CONEXIÓN AL PROCESO O ENLACE MECANICO CONEXIÓN SEÑAL NEUMATICA (PRESIÓN AIRE) - CONEXIÓN SEÑAL HIDRAULICA (PRESIÓN ACEITE) CONEXIÓN SEÑAL ELECTRICA (ELECTRONICO) CONEXIÓN SEÑAL ELECTROMAGNETICA ( INALAMBRICO) XXYY ZZ-NN SIMBOLO INSTRUMENTO (TRANSMISOR, CONTROLADOR, ETC) V-1 V-2 V-3 V-4 E-1 Válvula Manual Válvula Control Neumática Válvula Control Motorizada Válvula Solenoide Bomba Eléctrica s
  • 11. TABLA PARA LA IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS : TT-A1-2 Transmisor de Temperatura del Área A1, Instrumento 2 FRC-10-2 Controlador Registrador de Flujo del Área 10, Instrumento 2 FT-12-1 Transmisor de Flujo del Área 12, Instrumento 1. LSL-10-1 Interruptor de Bajo nivel del Área 10, Instrumento 1. PDI-10-1 Indicador de Presión Diferencial del Área 10, Instrumento 1.
  • 12. TT TC Vapor Válvula Intercambiador Entrada fluido Transmisor de Temperatura Controlador de Temperatura El siguiente diagrama de instrumentación de un proceso industrial, corresponde a un intercambiador de calor utilizado para calentar un fluido. Un transmisor de temperatura (TT) permite medir la temperatura del fluido e indica a un controlador (TC) para que este opere una válvula que deja pasar vapor hacia el recipiente. Identificar los elementos del sistema de control. Salida fluido EJEMPLOS DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN: Proceso: Intercambiador de Calor Variable controlada: Temperatura fluido Variable manipulada: Flujo Vapor Valor deseado: Temperatura T Variable de perturbación: Temp. Externa Medidor: Transmisor de Temperatura TT Actuador: Válvula Controlador: Controlador TC Valor deseado T
  • 13. PV-01-1 01-1 01-1 PT IP 01-1 PC S-7 MEDIDOR (TRANSMISOR DE PRESIÓN) CONVERTIDOR (CORRIENTE A PRESIÓN) VALVULA NEUMATICA PARA CONTROL DE PRESIÓN CONTROLADOR DE PRESIÓN (ELECTRONICO) F SP (VALOR DESEADO) LÍNEA DISTRIBUCIÓN DE GAS Dibujar un diagrama de proceso e instrumentación, para controlar la presión de una la línea de gas, utilizando una válvula de control neumática y un controlador electrónico. EJEMPLO DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN:
  • 14. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL: Son representaciones graficas utilizadas para expresar a través de bloques las conexiones funcionales de los elementos del sistema de control. Flechas: representan las variables controladas y no controladas (Señales). Bloques: representan los elementos de control (medidores, controladores, proceso y demás dispositivos. Comparadores: compara las señales del sistema, dando como resultado la adición o diferencia de señales. También se les dice puntos de suma o diferencia. Los elementos utilizados para construir los diagramas de bloques son:
  • 15. Proceso: objeto en el cual se desea implementar el control Variable Controlada: variable real del proceso que se va a controlar Variable de Referencia: valor deseado para la variable a controlar Medidor: mide el valor real de la variable controlada Controlador: ejecuta el método y algoritmo para controlar Actuador: realiza la acción directa sobre el proceso Error: diferencia entre le valor real y el valor deseado de la variable controlada Señal de Regulación: salida del controlador Señal Regulada: salida del Actuador Señal de Perturbación: variables no controlada que afecta al proceso Señal Medida: salida del medidor DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL:
  • 16. Un contenedor con flujo constante de agua, como se muestra en la figura, va a ser regulado de tal forma que la temperatura de salida del agua (T2), se mantenga constante. Dibuje un diagrama de bloques, de manera que muestre como funciona el sistema de control. La temperatura ambiental es T1. Que variable se puede tomar como disturbio o alteración del sistema? RESISTENCIA DE CALENTAMIENTO AMPLIFICADOR + - +AMPLIFICADOR OPERACIONAL MEDIDOR DE TEMPERATURA T1 T2 R - POTENCIOMETRO EJEMPLO:
  • 17. TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS: Control Manual Control Automático Interviene directamente la mano del hombre en la acción de control. Ejemplo: Válvula manual a la salida del tanque de riego. No se requiere la intervención ni la supervisión del hombre Ejemplo: Control de Temperatura del contenedor de agua caliente. Es aquel en el que la salida no influye sobre la acción de control. Su esquema básico es: Control a Lazo Abierto SISTEMA DE REGULACION PROCESO, OBJETO SALIDA ENTRADA Influencia Señal de Regulación
  • 18. Se produce cuando la salida del sistema vuelve a ingresar al sistema para la acción de control. Este esquema se llama retroalimentación permite el control automático de un sistema. El esquema básico del Control a Lazo Cerrado es: SISTEMA DE REGULACION SISTEMA, PROCESO, OBJETO SALIDA ENTRADA Perturbaciones Observación Señal de Medición Influencia Señal de Regulación Control a Lazo Cerrado TIPOS BASICOS DE CONTROL DE PROCESOS:
  • 19. EJEMPLO: Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para los procesos de control de nivel con y sin flotador, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables principales (Referencia, Controlada, Disturbio), así como el tipo de control. Caso sin flotador: CONTROL MANUAL A LAZO CERRADO Caso con flotador: CONTROL AUTOMATICO A LAZO CERRADO
  • 20. EJEMPLO: Diseñar un diagrama de bloques que muestre el sistema de control para un aire acondicionado integral de una vivienda, identificando los cuatro elementos básicos del control y las variables principales (Referencia, Controlada, Disturbio). Dibujar un diagrama a Lazo Abierto y otro a Lazo Cerrado LAZO ABIERTO: LAZO CERRADO: