MEC 284 C01 DiaposAdicionales

ELIZABETH VILLOTA

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MEC284-C01 INTRODUCCIÓN AL CONTROL AUTOMÁTICO

OBJETIVOS

o Proveer información general acerca del curso - describir la estructura del curso, método de evaluación, aspectos administrativos, etc.

o Introducir los conceptos de realimentación, control automático y automatización.

o Presentar los principales componentes de un sistema de control (por realimentación).

o Describir cómo funcionan los sistemas de control así como sus principales características

o Presentar la secuencia lógica en el desarrollo de los temas del curso.

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AUTOMATIZACIÓN EN LA VIDA DE LAS PERSONAS

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Máquina de tickets

Automatización

de vehículos

Ambiente de trabajo parcialmente

automatizado

Sistema de apoyo para el cuidado de personas de la tercera edad

Y más…

INGENIERÍA DE CONTROL

• Es una disciplina de ingeniería que aplica teoría de control para diseñar sistemas con comportamiento deseado.

• En la práctica, usa sensores para medir lo importante (o posible) del sistema (proceso) a ser controlado, un controlador para interpretar los datos y decidir sobre qué acciones tomar, y actuadores que son los que finalmente ejectuan dichas acciones.

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(Pla

nt)

Perturbations


• VEHICULO:

Comportamiento deseado (objetivo): movimiento a velocidad constante vr.

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Perturbations


• VEHICULO:

Comportamiento deseado (objetivo): movimiento a velocidad constante vr.

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Perturbations

CONTROL AUTOMÁTICO Y AUTOMATIZACIÓN

• Cuando el comportamiento de un sistema es corregido sin intervención humana se denomina control automático.

• La acción o efecto de controlar u operar de forma automática es llamada automatización.

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8

Consiste en equipar productos con funcionalidad tal que puedan llevar a cabo sus tareas totalmente o parcialmente de forma automatizada.

Ejemplos: lavadoras, celulares, aviones.

Bloques funcionales para la

automatización de productos.

Se incluye también una fuente de energia que provee potencia para toda la operación. El sistema de intercambio de información representa una activación externa, la generación de un reporte del estado o la sincronización necesaria con otras partes del sistema más grande.

Handbook of Automation, Springer 2009

AUTOMATIZACIÓN DE PRODUCTOS

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Turbina a vapor.



10

Planning and Design of Engineering Systems, 2008


• Producto puede ser entendido como un sistema.

• Un sistema es una colección de componentes interrelacionados que interactúan juntos de manera organizada para cumplir un propósito o función específca.

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Sensores: para automatizar un dispositivo se requieren sensores para inspeccionar el ambiente y proveer información en relación a la reacción del dispositivo.

El tipo de sensor adecuado para un producto depende mucho de la tarea que realiza el mismo producto.


Parámetros físicos medidos por un sensor

Propiedades mecánicas distancia, velocidad, aceleración, posición, ángulo,

flujo de masa, nivel, tensión, movimiento,

vibración

Propiedades

termodinámicas

temperatura, presión, densidad, composición

Propiedades eléctricas Voltaje, corriente, fase, frecuencia, conductividad

Propiedades magnéticas campo magnético

Otras propiedades radioactividad

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Sistema de control: contiene todos los algoritmos (lógicas de cálculo) que proveen una operación apropiada al dispositivo.

Las señales de los sensores, ya sea de forma análoga o digital , tiene que ser

interpretadas y comparadas con un modelo de la tarea del dispositivo tal que sea puedan iniciar los actuadores.


Actuadores: son los dispositivos a través de los cuales el controlador actúa sobre el sistema. Como en el caso del sensor, el tipo de actuador depende de la aplicación.

Mecanismos de generación de entradas de actuación

Movimientos mecánicos resortes, dispositivos neumáticos e hidráulicos,

fuerzas magnéticas, válvulas o energía térmica

Cambio en las propiedades

termodinámicas

variaciones de presión, calentamiento o

enfriamiento

Propiedades eléctricas Carga o descargas de capacitores, aplicación de

voltaje y corriente.

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Intercambio de información con otros sistemas: para operar de forma automática un dispositivo se debe comunicar con su ambiente.

Los sistemas independientes (autónomos o inteligentes) emplean sensores para observar parámetros externos y sobre esa base toman sus decisiones.

En su mayoría, el dispositivo automático se comunica con dispositivos contiguos o con un sistema de control de alto nivel.

Para cuando se requiere que el operador se comunique con el dispositivo, se necesita una interfaz hombre-máquina.

Algunos sistemas de control requieren intercambiar información en ambas direcciones, para activar un dispositivo, obtener un reporte de estado o sincronizar con otros dispositivos en un sistema más grande.

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Fuente de energía: se requiere energía (mecánica, térmica, eléctrica) para que el dispositivo realice su función principal. También se requiere energía para operar los sensores, actuadores, sistemas de control, así como los canales de comunicación dentro y fuera del dispositivo.


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Es usado para maximizar la producción manteniendo la calidad y seguridad del producto a un nivel deseado y haciendo el proceso más económico. Ejemplos: producción de químicos, de papel, de metales, comida, etc.

5 niveles del control y optimización de procesos en

manufactura.

Las escalas de tiempo se muestran en todo nivel.


AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS

16 Producción de elevadores.



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Planning and Design of Engineering Systems, 2008


• Un proceso es una secuencia de eventos que involucran un cambio progresivo en el tiempo.

• Existen procesos de manufactura, procesos de deterioro, y procesos químicos, biológicos y químicos.

• A menudo un proceso ocurre en, o es generado por, un sistema o un componente de un sistema.

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 1: Medición y actuación. Dispositivos de medida (sensores, transmisores) y equipo de

actuación (por ejemplo, válvulas de control) son usadas para medir las variables del proceso e implementar las acciones de control calculadas. Estos dispositivos interactúan con el sistema de control, usualmente un computadora.

Nivel 2: Seguridad y medioambiente / protección de equipos. Este nivel juega un rol importante al asegurar que el proceso es

operado de forma segura y satisface regulaciones ambientales. Se basa en el principio de múltiples capas de protección. Una capa puede incluir gestión de alarmas en situaciones anormales y sistemas instrumentados para paradas de emergencia.

El equipo de seguridad es independiente de la instrumentación normal.

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 3a: Control regulatorio. La operación exitosa de un proceso requiere que variables

claves tales como tasas de flujo, temperatura, presión, y concentraciones, sean operadas a, o cerca de, sus setpoints (referencias constantes).

Se usan técnicas de control por realimentación y alimentación directa.

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Nivel 3b: Control multivariable y con restricciones. Los problemas de control de procesos presentan (1)

interacciones significativas entre variables de procesos clave, y (2) restricciones de desigualdad para variables manipulada y controlada.

Por ejemplo, la tasa de flujo manipulada presenta un limite superior determinado por la bomba y las características de la válvula de actuación. Limites en la variable controlada reflejan restricciones en el equipo (limites metalúrgicos) y los objetivos de operación del proceso (la temperatura de un reactor puede tener un limite superior para evitar degradación y un limite inferior para garantizar que ocurra la reacción).

Uso de técnicas de control multivariable y control predictivo basado en modelos (MPC).

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 4: Optimización en tiempo real. Las condiciones de operación óptimas para una planta son

determinadas como parte del proceso de diseño, pero durante operación las condiciones óptimas cambian dependiendo de la disponibilidad de equipos, disturbios del proceso, y condiciones económicas (precio de materiales y del producto). En consecuencia puede ser beneficioso recalcular las condiciones de operación regularmente. Estas nuevas condiciones óptimas se fijan como setpoints para las variables controladas.

Los cálculos de optimización en tiempo real son basados en modelos en estado estacionario de la planta y datos económicos tales como costos y valores de los productos (minimización de costos o maximización de ganancias). Esta optimización se puede realizar a una unidad individual o toda la planta.

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Nivel 5: Planificación y programación. El nivel más alto del control procesos corresponde a la

planificación y programación de las tareas para toda la planta. La producción debe ser planificada y coordinada basada en restricciones de equipos, capacidad de almacenamiento, operación de otras plantas, etc. Para las operaciones intermitentes por lotes, el problema de control de producción se convierte en un problema de programación de lotes.

Luego planificación y programación son problemas de optimización a gran escala basados en consideraciones de ingeniería y proyecciones de negocios.

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La pirámide de la automatización.

Cómo organizar la implementación

de automatización.


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Servicio: provisión de actividades que una empresa/máquina/ persona requiere.

Pasos principales en el servicio de mantenimiento industrial. Existe un nivel de

recolección de información, análisis, e intercambio y un elemento de logística, incluido el transporte físico. Los aspectos relacionados a la información han alcanzado un nivel alto de automatización a la fecha.


AUTOMATIZACIÓN DE SERVICIOS

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Estrategia de mantenimiento para extender el ciclo de vida útil de una planta:

Varios abordajes para el mantenimiento durante el ciclo de vida de una planta

industrial.

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En términos técnicos, un servicio óptimo es basado en: • Monitoreo de desempeño del equipo en tiempo real . • Extrapolación basada en conocimiento del desempeño

futuro. • Conocimiento acerca del uso del equipo en el ambiente

industrial. • Canales adecuados de comunicación entre proveedor de

equipo y personal de mantenimiento. • Acceso a datos relevantes de equipos. • Acceso a hardware y herramientas para restaurar el

desempeño del equipo eficientemente.

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El servicio de mantenimiento se realiza una vez que la planta industrial o subsistemas han sido instalados y están operando.

Para el operador es de suma importancia que el equipo esté disponible. Paradas programadas pueden para cambios programados pueden ser aceptadas, sin embargo no es el caso para los eventos inesperados.

Mientras mejor preparado esté el personal de mantenimiento para reaccionar a eventos inesperados, el servicio será más apreciado.

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Diseño de un CNC y proceso de maquinado

(DSP –digital signal processor, FFT -fast Fourier transform, FRF -frequency response function, PID controller, PPC -pole placement controller, CCC -cross coupling controller, ZPETC – zero phase error tracking controller, I/O– input/output, MT – machine tool)


AUTOMATIZACIÓN DE MÁQUINA HERRAMIENTA

¿QUÉ ES REALIMENTACIÓN?

Diccionario RAE

Retorno de parte de la salida de una máquina, sistema o proceso a su propia entrada

Realimentación = interconexión mutua de dos sistemas

Sistema 1 afecta a sistema 2

Sistema 2 afecta a sistema 1

Realimentación (principio de diseño) presente en

los sistemas naturales, sociales, económicos y de ingeniería

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LAZO CERRADO

robótica

(nano) satélites

automóviles

SonyAIBO Robot

buques

European Power Network

redes de generación y transmisión de potencia metal organic chemical

vapor deposition (MOCVD) reactor

procesamiento de materiales

CONTROL POR REALIMENTACIÓN EN INGENIERÍA

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sistema multinivel para servicios en internet

CONTROL POR REALIMENTACIÓN EN LA NATURALEZA

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Sistemas biológicos

Regulación fisiológica (homeostasis), redes regulatorias biomoleculares

Sistemas ambientales Ecosistema microbial, ciclo global del carbono

CONTROL POR REALIMENTACIÓN EN OTROS SISTEMAS

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producción en masa (realimentación positiva)

cadena de suministros

EJEMPLO: CONDUCIR UN VEHICULO A UNA VELOCIDAD DADA

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Objetivo: Sistema en lazo cerrado estable y desempeño robusto aún en la presencia de disturbios/incertezas.

http://www.cds.caltech.edu/~murray/amwiki/Main_Page

Planta Controlador

Conductor Carro

Disturbios/incertezas están en todas partes!

Referencia Presionar

Velocidad

SISTEMA BÁSICO DE CONTROL POR REALIMENTACIÓN

Sensor

Velocímetro

-

Actuador

Pedal gas

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OBJETIVO DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

• Estabilidad: asegurar operación estable del sistema. Respuesta se establece en un valor constante u oscila con respecto a él.

• Desempeño: asegurar respuesta deseada. Calidad de la respuesta (rapidez, error, etc).

• Robustez: asegurar operación estable con similar desempeño aún con variaciones externas o internas.

• Disturbios: eventos externos que afectan a la planta.

• Incertezas: desconocimiento de ciertos parámetros de la planta.

• Perturbaciones: disturbios o incertezas.

PROPIEDADES DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

Robustez a la incerteza. Modelo de la planta, CI y ruido del sensor son fuentes de incerteza.

• Idea: sensores permiten comparar valores reales y deseados, corrección a

través de ley de control y actuación

Modifica la dinámica del sistema. Dota de estabilidad y rapidez a sistemas inestables y lentos.

• Idea: interconexión provee lazo cerrado que modifica el comportamiento

natural

Facilita automatización (toma de decisiones). • Idea: interconexión permite inclusión de computadoras para implementar ley

de control

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DESVENTAJAS DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

Posibilidad de inestabilidad • El lazo cerrado modifica la dinámica natural

Inyección de ruido • Sensores incorporan ruido a sistema en lazo cerrado

Complejidad • No cualquiera puede usarlo

Fragilidad • Optimización en relación a ciertas condiciones, no hay garantías de buen

funcionamiento si se cambian condiciones no consideradas

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EN LA PRÁCTICA: Recursos limitados y tradeoffs fundamentales

TIPOS DE CONTROL : LAZO ABIERTO Y LAZO CERRADO

Control en lazo abierto No realimentación

Controlador no observa la salida del sistema

Entrada de control se calcula en función al estado inicial y al modelo de la planta

No compensa por disturbios en el sistema

Control en lazo cerrado Usa realimentación

Acción correctiva calculada en base al error entre el estado actual y el estado deseado

Compensa por disturbios del sistema e incertezas

Mantener el nivel del líquido en el tanque a un valor constante

CONTROL POR ALIMENTACIÓN DIRECTA (FEEDFORWARD)

Mantener la temperatura del fluido de proceso

ALIMENTACIÓN DIRECTA:

Compensa por disturbios que pueden ser cuantificados/medidos.

Corrección de los efectos de disturbios mediante control en lazo abierto

Controlador de respuesta rápida

Complementa al control por realimentación.

HERRAMIENTAS DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

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MATLAB ?

Modelado

Síntesis

Análisis (estabilidad y desempeño)

(Pla

nt)

Perturbaciones

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ENTRADAS A LA PLANTA

• Variable manipulada: son variables que se pueden utilizar para actuar sobre el proceso o sistema.

• Perturbaciones: son variables sobre las cuales no se puede actuar, y que influyen en el proceso o sistema. Su efecto generalmente es imprevisible.

SALIDAS DE LA PLANTA

• Variable controlada (salida del proceso): son usadas para tener una medida de la conducción del proceso y, según su desviación respecto de un valor deseado, determinar el valor de la variable manipulada.

VARIABLES DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

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OTRAS VARIABLES EXTERNAS AL SISTEMA

• Variable medida: resultado de los sensores destinados a representar el valor de la respuesta del proceso o sistema.

• Referencia (setpoint): variable deseada para la variable controlada. Setpoint corresponde a referencia constante.

• Error de control: referencia - variable medida.

VARIABLES INTERNAS Y PARÁMETROS DEL SISTEMA

• Variables de estado: variables internas del proceso que permiten caracterizar totalmente la condición en que se encuentra un proceso. No siempre son medibles

• Parámetros: caracterizan las relaciones entre las variables de estado. Generalmente dependen del diseño del proceso

VARIABLES DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

HERRAMIENTAS DEL CONTROL

Modelado

Representaciones entrada-salida para subsistemas + reglas de interconexión

Teoría de identificación de sistemas y algoritmos

Teoría y algoritmos para modelos de orden reducido y reducción de modelos

Análisis Estabilidad de sistemas de realimentación,

inclusión de margenes de robustez

Desempeño de sistemas entrada/salida (atenuación de disturbios, robustez)

Síntesis Herramientas constructivas para diseño de

sistemas de control

Herramientas constructivas para procesamiento de señales y estimación (filtro de Kalman)

Toolboxes del MATLAB

SIMULINK

Control de sistemas

Adquisición de datos

Lógica Fuzzy

Control Robusto

Procesamiento de señales

Control LMI

Estadística

Identificación de sistemas

Biología de sistemas (SBLM)

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HISTORIA DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

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Griegos y árabes

llevando un control

exacto del tiempo (300AC-

1200DC)

Revolución industrial

en Europa (motor a

vapor Watt, siglo

XVIII)

Inicio de la comunicación en

masa (Amplificador por

realimentación negativa –

Black), 1910-1945

Inicio de la era espacio-

computadora (filtro de

Kalman, 1957)

CONTROL

CLÁSICO

CONTROL MODERNO

ecuaciones diferenciales (dominio del tiempo)

teoría de estabilidad (Routh, Lyapunov, función de transferencia)

teoría de sistemas (entrada-salida)

análisis en el dominio de la frecuencia (Nyquist, gráficos Bode)

PID, servomecanismo, cartas de Nychols

análisis estocástico (filtro de Wiener)

análisis en el dominio del tiempo para sistemas lineales (algebra lineal y

matrices, sistema interno espacio de estados)

control óptimo (LQR) y estimación (LQG), control no lineal, control digital

tecnología: sensores, actuadores, computadoras en diseño e implementación

SOLO sistemas LTI , SISO

sistemas no lineales, MIMO

http://www.theorem.net/theorem/lewis1.html

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HISTORIA DEL CONTROL POR REALIMENTACIÓN

CONTROL PREDICTIVO

CONTROL ADAPTIVO

CONTROL DISTRIBUIDO

CONTROL DIFUSO (FUZZY CONTROL)

CONTROL ÓPTIMO

CONTROL MULTIVARIABLE

CONTROL NEURONAL (NEURAL CONTROL)

CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)

CONTROL ROBUSTO

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ACRÓNIMOS

• SISO: single-input single-output

• MIMO: multiple-input multiple-output

• LTI: linear time invariant

• BIBO: bounded-input bounded-output

TRABAJO EN CLASE 1:

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Definir en que consiste:

Estabilidad

Desempeño

Robustez

en la figura dada

TRABAJO EN CLASE 2:

47

Presentar el diagrama de bloques correspondiente al control de nivel del tanque del inodoro.

Destacar los componentes principales del sistema de control

TRABAJO EN CLASE 3:

48

Presentar el diagrama de bloques correspondiente al sistema de control de un caldero.

Destacar los componentes principales del sistema de control

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