Sistemas de control

Sistemas de control

Contenido1.-Sistemas de control21.1.-Marco conceptual21.1.1.-Control:21.1.2.-Sistema:31.1.3.-Proceso:31.1.4.-Actuador:41.1.5.-Variable controlada:41.1.6.-Variable manipulada41.1.7.-Sistema de control:41.1.8.-Perturbacion:51.1.9.-Entrada de referencia:51.2.-Control en lazo abierto51.2.1.-Representacion mediante diagrama de bloques61.2.2.-Analisis de ejemplos reales61.3.-Control en lazo cerrado71.3.1 Representacin mediante diagrama de bloques81.3.2Analisis de ejemplos reales81.4.-Sistemas lineales91.4.1.-Sistemas lineales invariables en el tiempo91.4.2.-Sistemas lineales variables en el tiempo111.5.-Sistemas no lineales11Bibliografa13

IntroduccinComo parte del desarrollo tecnolgico, nosotros como futuros ingenieros debemos de comprender cada uno de los sistemas existentes en nuestro entorno y medio de trabajo ya que independientemente que sea nuestro trabajo, debemos conocer la manera de operar de cada uno de los sistemas, mquinas, o procesos a los cuales nos enfrentemos.En este caso, los sistemas automatizados poseen ciertos elementos de control, los cuales parte de ellos en mnima cantidad, son plasmados en este documento, como parte de la introduccin a la materia.Independientemente de cada rea tecnolgica siempre existen sistemas abiertos y cerrados, sin embargo, cada definicin posee caractersticas que la hacen diferente de las dems reas.Los sistemas de control se encuentran en todos lados, desde una simple lmpara en un poste de energa elctrica, hasta complicados procesos de produccin en industrias, como la colocacin de vlvulas en motores de los cuales se necesitan la precisin de sistemas robotizados o en los procesos de envase de mermeladas. Todos y cada uno necesita un sistema en especfico, el dilema radica en desarrollarlos y conseguir satisfacer en su totalidad o lo mejor posible en la necesidad requerida.

1.-Sistemas de controlLos sistemas de control, segn la teora ciberntica, se aplican en esencia para los organismos vivos, las mquinas y las organizaciones. Estos sistemas fueron relacionados por primera vez en 1948 por Norbert Wiener en su obra Ciberntica y Sociedad con aplicacin en la teora de los mecanismos de control. Un sistema de control est definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados.

Hoy en da los procesos de control son sntomas del proceso industrial que estamos viviendo. Estos sistemas se usan tpicamente en sustituir un trabajador pasivo que controla un determinado sistema (ya sea elctrico, mecnico, etc.) con una posibilidad nula o casi nula de error, y un grado de eficiencia mucho ms grande que el de un trabajador. Los sistemas de control ms modernos en ingeniera automatizan procesos en base a muchos parmetros y reciben el nombre de controladores de automatizacin programables (PAC).1.1.-Marco conceptual1.1.1.-Control:La palabra control tiene muchas connotaciones y su significado depende de la funcin o del rea en que se aplique; puede ser entendida: Como la funcin administrativa que hace parte del proceso administrativo junto con la planeacin, organizacin y direccin, y lo que la precede. Como los medios de regulacin utilizados por un individuo o empresa, como determinadas tareas reguladoras que un controlador aplica en una empresa para acompaar y avalar su desempeo y orientar las decisiones. Tambin hay casos en que la palabra control sirve para disear un sistema automtico que mantenga un grado constante de flujo o de funcionamiento del sistema total; es el caso del proceso de control de las refineras de petrleo o de industrias qumicas de procesamiento continuo y automtico: el mecanismo de control detecta cualquier desvo de los patrones normales, haciendo posible la debida regulacin. Como la funcin restrictiva de un sistema para mantener a los participantes dentro de los patrones deseados y evitar cualquier desvo. Es el caso del control de frecuencia y expediente del personal para evitar posibles abusos. Hay una imagen popular segn la cual la palabra control est asociada a un aspecto negativo, principalmente cuando en las organizaciones y en la sociedad es interpretada en el sentido de restriccin, coercin, limitacin, direccin, refuerzo, manipulacin e inhibicin.1.1.2.-Sistema:Sistema es un todo organizado y complejo; un conjunto o combinacin de cosas o partes que forman un todo complejo o unitario. Es un conjunto de objetos unidos por alguna forma de interaccin o interdependencia. Los lmites o fronteras entre el sistema y su ambiente admiten cierta arbitrariedad.Segn Bertalanffy, sistema es un conjunto de unidades recprocamente relacionadas. De ah se deducen dos conceptos: propsito (u objetivo) y globalismo (o totalidad). Propsito u objetivo: todo sistema tiene uno o algunos propsitos. Los elementos (u objetos), como tambin las relaciones, definen una distribucin que trata siempre de alcanzar un objetivo. Globalismo o totalidad: un cambio en una de las unidades del sistema, con probabilidad producir cambios en las otras. El efecto total se presenta como un ajuste a todo el sistema. Hay una relacin de causa/efecto. De estos cambios y ajustes, se derivan dos fenmenos: entropa y homeostasia. Entropa: es la tendencia de los sistemas a desgastarse, a desintegrarse, para el relajamiento de los estndares y un aumento de la aleatoriedad. La entropa aumenta con el correr del tiempo. Si aumenta la informacin, disminuye la entropa, pues la informacin es la base de la configuracin y del orden. De aqu nace la negentropa, o sea, la informacin como medio o instrumento de ordenacin del sistema. Homeostasia: es el equilibrio dinmico entre las partes del sistema. Los sistemas tienen una tendencia a adaptarse con el fin de alcanzar un equilibrio interno frente a los cambios externos del entorno.Una organizacin podr ser entendida como un sistema o subsistema o un supersistema, dependiendo del enfoque. El sistema total es aquel representado por todos los componentes y relaciones necesarios para la realizacin de un objetivo, dado un cierto nmero de restricciones. Los sistemas pueden operar, tanto en serie como en paralelo.

1.1.3.-Proceso: Si bien el trmino de Proceso suele estar asociado a distintas aserciones dependiendo el contexto que se le est dando, lo cierto es que siempre tiene en comn que se trata de tener un Punto de Partida, el cual es sometido a una especie de transformacin, para luego obtener un Resultado especfico, tenindose en cuenta una serie de acciones que deben ser cumplidas para dicho fn.

1.1.4.-Actuador:Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energa hidrulica, neumtica o elctrica en la activacin de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en funcin a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una vlvula.

Existen varios tipos de actuadores como son: Electrnicos Hidrulicos Neumticos ElctricosLos actuadores hidrulicos, neumticos y elctricos son usados para manejar aparatos mecatrnicos. Por lo general, los actuadores hidrulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidrulicos requieren mucho equipo para suministro de energa, as como de mantenimiento peridico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumticos tambin son limitadas desde el punto de vista de precisin y mantenimiento.1.1.5.-Variable controlada:Variable controlada es la cantidad o condicin que se mide y controla. . Normalmente la variable controlada es considerada la salida del sistema.1.1.6.-Variable manipulada Es la variable o condicin de la planta que se modifica a fin de influir sobre la variable controlada a travs de la dinmica de la planta.

1.1.7.-Sistema de control:Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulacin de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados (consigna).Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos: Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos. Ser tan eficiente como sea posible, segn un criterio preestablecido.Normalmente este criterio consiste en que la accin de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales. Ser fcilmente implementable y cmodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.

1.1.8.-Perturbacion:Es una seal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Si lo perturbacin se genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que una perturbacin externa se genera fuera del sistema. Las perturbaciones actan sobre un sistema modificando, su funcionamiento por lo que su presencia implica la necesidad de control. Normalmente las perturbaciones actan sobre un sistema aleatoriamente1.1.9.-Entrada de referencia:Es el parmetro fijado mediante medios elctricos, electrnicos, o por software para que el sistema actu1.2.-Control en lazo abiertoEn estos sistemas la seal de salida no influye sobre su regulacin. Se obtienen los datos de entrada y se ejecuta el proceso de control.Un ejemplo de sistema de lazo abierto es el semforo. La seal de entrada es el tiempo asignado a cada luz (rojo, amarilla y verde) de cada una de las calles. El sistema cambia las luces segn el tiempo indicado, sin importar que la cantidad de trnsito vare en las calles.La mayor parte de sistemas de lazo abierto sern automatismos a los que no podremos llamar en sentido estricto robots porque, al no tener en cuenta la salida, su capacidad de toma de decisiones inteligentes es muy limitada.Por ejemplo, un sistema de riego en lazo abierto tiene un temporizador que lo pone en marcha todos los das a una determinada hora; riega las plantas durante un cierto tiempo pasado el cual se interrumpe, con independencia de que las plantas hayan recibido la cantidad de agua adecuada, una cantidad excesiva o una cantidad insuficiente. Se trata de un automatismo, pero no de un autntico robot.1.2.1.-Representacion mediante diagrama de bloques

1.2.2.-Analisis de ejemplos reales

Elprocesode elaboracin de lacervezaes un proceso de lazo abierto que tiene 7 fases: Fase I: MaceracinLa maceracin consiste en empastar la malta con agua, con elobjetivode transformar el almidn que contiene la misma en azucares fermentables y dextrinas, adems de convertir lasprotenasen aminocidos y pptidos, nutrientes necesarios para la levadura durante la etapa defermentacin. Fase II: filtracin, recirculacin y rociadoEl filtrado consiste en separar el lquido que contiene los azcares disueltos que se encontraban presentes en las cscaras ymaterialesslidos. La filtracin est fuertemente ligada al tamao de la molienda, ya que si la misma es demasiado fina la filtracin ser imposible. Fase III: Ebullicin del mosto y lupulacinEste paso tiene cinco propsitos:1. Desnaturalizar las protenas de alto peso molecular parapodersepararlas por precipitacin, para ello se utiliza un determinado precipitante.2. Evaporar agua para concentrar el mosto.3. Conferirle a la cerveza elcarcteramargo.4. Esterilizar el mosto para liberarlo de posteriores crecimientos de microorganismos indeseables.5. Conferircoloral mosto. Fase IV: Enfriamiento y aireacin del mostoPara el enfriamiento del lquido se puede utilizar una serpentina de enfriamiento, camisas u otro dispositivo. El objetivo es llevar el lquido filtrado a temperatura de fermentacin con la consiguiente incorporacin deaireestril, elemento fundamental para el crecimiento odesarrollode las levaduras en su primera etapa de multiplicacin. Fase V: FermentacinComo se mencion, la fermentacin alcohlica es un proceso anaerbico realizado por las levaduras en ausencia deoxgeno, para transformar las molculas deazcarenalcohol, CO2 (gascarbnico), ycalor(energa). Fase VI: Maduracin y reposoLa maduracin dura entre 7 y 10 das y se realiza a temperaturas de entre 10 -12 C cuando se utiliza levaduras del tipo ale y a 4 - 6 C cuando se utiliza las del tipo lagers. En esta etapa se producen los sabores que son deseables para elproductofinal. FaseVII: Embotellado y pasteurizacinLa pasteurizacin es el proceso de destruccin de lasbacteriaspatgenas que puedan existir en el lquido mediante calor, luego se procede al embotellamiento del producto. 1.3.-Control en lazo cerradoEn los sistemas de control de lazo cerrado, la salida o seal controlada, debe ser realimentada y comparada con la entrada de referencia, y se debe enviar una seal actuante o accin de control, proporcional a la diferencia entre la entrada y la salida a travs del sistema, para disminuir el error y corregir la salida.Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la seal de salida tiene efecto directo sobre la accin de control. Esto es, los sistemas de control de lazo cerrado son sistemas de control realimentados. La diferencia entre la seal de entrada y la seal de salida se la denomina seal de error del sistema; esta seal es la que acta sobre el sistema de modo de llevar la salida a un valor deseado. En otras palabras el trmino lazo cerrado implica el uso de accin de realimentacin negativa para reducir el error del sistema.1.3.1 Representacin mediante diagrama de bloques

1.3.2Analisis de ejemplos realesAlumbrado Pblico.El objetivo del alumbrado pblico es mantener un nivel mnimo de iluminacin en las calles, al menor costo. Para lograr este objetivo se pueden proponer dos soluciones: la primera consiste en encender los focos del alumbrado a la hora en que comnmente empieza a oscurecer, y apagarlos al amanecer. As, pues se puede decidir encender el alumbrado a las 20 hrs y apagarlo a las 6:30 hrs. En este sistema, la entrada (cambio de posicin del interruptor) es independiente de la salida (cantidad de luz en la calle). Este mecanismo, simple y econmico de llevar a cabo, puede acarrear dificultades, ya que la hora en que empieza a aclarar, varan de acuerdo con las estaciones del ao, adems, en das nublados se puede tener una oscuridad indeseable.La otra solucin, ms efectiva, consiste en instalar un dispositivo (fotocelda, fototransistor, etc) para detectar la cantidad de iluminacin y de acuerdo con esto, encender o apagar el alumbrado pblico. En este caso, la entrada (cantidad ptima de luz en las calles) se comparara con la salida (cantidad de luz real en las calles) a los efectos de que la seal de error generada accione o no el interruptor de luz.Alumbrado Pblico a) Primera Solucin, b) Segunda Solucin

El diagrama de bloques que se presenta en la figura sera para el caso de control realimentado de lazo cerrado.

1.4.-Sistemas lineales1.4.1.-Sistemas lineales invariables en el tiempoUn sistema eslineal(L) si satisface elprincipio de superposicin, que engloba las propiedades de proporcionalidad o escalado y aditividad. Que sea proporcional significa que cuando la entrada de un sistema es multiplicada por un factor, la salida del sistema tambin ser multiplicada por el mismo factor. Por otro lado, que un sistema sea aditivo significa que si la entrada es el resultado de la suma de dos entradas, la salida ser la resultante de la suma de las salidas que produciran cada una de esas entradas individualmente.Un sistema esinvariantecon el tiempo si su comportamiento y sus caractersticas son fijas. Esto significa que los parmetros del sistema no van cambiando a travs del tiempo y que por lo tanto, una misma entrada nos dar el mismo resultado en cualquier momento (ya sea ahora o despus).Matemticamente, un sistema es invariante con el tiempo si un desplazamiento temporal en la entradax(t-t0) ocasiona un desplazamiento temporal en la saliday(t-t0).

La combinacin mediante elprincipio de superposicinde ambas propiedades confiere a los sistemas la caracterstica LTI.Principio de Superposicin con LTI

Una caracterstica muy importante y til de este tipo de sistemas reside en que se puede calcular la salida del mismo ante cualquier seal mediante laconvolucin, es decir, descomponiendo la entrada en un tren de impulsos que sern multiplicados por la respuesta al impulso del sistema y sumados.1.4.1.1.-Sistemas LTI Serie paraleloSERIE:Si dos o ms sistemas estn en serie uno con otro, el orden puede ser intercambiado sin que se vea afectada la salida del sistema. Los sistemas en serie tambin son llamados como sistemas en cascada. Un sistema equivalente es aquel que est definido como laconvolucinde los sistemas individuales.Esquema sencillo Sistema LTI SeriePARALELO:Si dos o ms sistemas LTI estn en paralelo con otro, un sistema equivalente es aquel que est definido como la suma de estos sistemas individuales.Esquema sencillo Sistema LTI Paralelo

1.4.2.-Sistemas lineales variables en el tiempoSon aquellos en los que las seales, en varias partes del sistema, son todas funciones de la variable continua, tiempo t, es decir el flujo de seales en todas partes del sistema es siempre continuo. Las seales de informacin fluyen continuamente entre los componentes en lazo cerrado. La caracterstica fundamental de un sistema de control automtico continuo o analgico es la comparacin continua o permanente entre el valor actual de la variable controlada y el valor deseado de esta variable. Entre todos los sistemas de control en tiempo continuo, las seales se pueden clasificar posteriormente como de CA o CD. A diferencia de la definicin general de seales de CA y CD utilizadas en ingeniera elctrica, los sistemas de control de CA y CD tienen un significado especial en la terminologa de sistemas de control. Cuando se hace referencia a un sistema de control de CA, usualmente significa que las seales en el sistema estn moduladas segn algn esquema de modulacin. Por otro lado, cuando se hace referencia a un sistema de control de CD, no significa que todas las seales en el sistema sean unidireccionales; entonces no habra movimientos de control correctivo. Un sistema de control de CD simplemente implica que las seales no son moduladas, pero an son seales de CA de acuerdo con la definicin anterior. En la prctica, no todos los sistemas de control son estrictamente de CD o CA. Un sistema puede incorporar una mezcla de componentes de CA y CD, empleando moduladores y demoduladores para acoplar las seales en varios puntos del sistema.

1.5.-Sistemas no linealesLos sistemas no lineales son todos los dems, regidos por ecuaciones no lineales, por ejemplo ecuaciones diferenciales con coeficientes que son funcin de la variable dependiente, ecuaciones diferenciales parciales, multiplicacin entre variables, funciones senoidales con argumentos en funcin de la variable dependiente, o cualquier otro tipo de ecuacin funcional, por ejemplo.

1- Considrese la ecuacin que representa el movimiento de un vehculo submarino en forma simplificada.v + v\v\ = u donde v es la velocidad y u la propulsin.

Es una ecuacin diferencial no lineal porque existe multiplicacin entre la variable velocidad y la variable mdulo.

Un ejemplo de fuerza de friccin es la fuerza viscosa o amortiguamiento del aire, que suele modelarse como una funcin no lineal de la velocidad h(0) = 0. Para velocidades pequeas podemos asumir. Combinando un resorte duro con amortiguamiento lineal y una fuerza externa peridica obtenemos la ecuacin de Duffing:

Es una ecuacin diferencial no lineal porque el grado de la variable y es 3, esta ecuacin es un ejemplo clsico en el estudio de excitacin peridica de sistemas no lineales.Uno de los problemas ms simples en robtica es el de controlar la posicin de una junta de robot usando un motor ubicado en el punto de giro. Matemticamente esto no es ms que un pndulo. Usando la segunda ley de Newton podemos escribir la ecuacin de movimiento en la direccin tangencial:

Donde m es la masa de la bola, l es la longitud del brazo, es el ngulo entre la vertical y el brazo, g es la aceleracin de la gravedad, y k es el coeficiente de friccin.Es una ecuacin diferencial no lineal, porque el argumento de la senoide es funcin de la variable dependiente

Como se mencion en las secciones anteriores todos los sistemas fsicos son no lineales pero sin embargo, si las no linealidades son suaves y el rango de operacin del sistema es pequeo, el sistema puede ser aproximado por un modelo lineal.

ConclusinComo hemos aprendido a lo largo de este documento, los sistemas de control se encuentran en cualquier lado, no solo en las industrias, incluso lo podemos hallar en cualquier lado o cualquier situacin que se nos presente, desde usar un celular, ponerlo a cargar, realizar una llamada o usar nuestros vehculos, solo que la diferencia en los vehculos es que cientos de procesos se realizan al mismo tiempo, todo sin que nos percatemos de ello.El proceso de control no solo se limita a monitorear y efectuar cambios al sistema, sino que tambin, informa, clasifica y toma decisiones, tal como a estas alturas, conocemos el PLC que tambin es otro tipo de control.Tambin, estos sistemas de control se pueden clasificar en lazo abierto y lazo cerrado que no es ms que el mismo sistema pueda o no corregir la toma de decisin efectuada, ms explcitamente, si el sistema de control recibi una orden, tomar una decisin en base a un impulso de entrada, ejecutar el programa debidamente cargado en el sistema y efectuar la toma de decisiones, por ltimo, mandar una orden; esto para el caso de los sistemas de lazo abierto. Para los sistemas de lazo cerrado, tiene un procedimiento parecido, por no decir igual, la diferencia ms importante radica en que cuando se manda el comando de orden, posteriormente el mismo sistema analizar el resultado y si es necesario se corregir a s mismo si cabe el trmino- con los datos de la retroalimentacin previamente analizada.Los sistemas de control tienen el propsito de facilitarnos la ejecucin de los procesos industriales y muchos de los que vemos da con da, gran parte de las veces, sin que nos percatemos de ello.

Bibliografa

http://definicion.de/perturbacion/#ixzz3T1z7JoZ1http://www.mastermagazine.info/termino/6377.php#ixzz3T1wtDt9Ehttp://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml#CONCEP#ixzz3T1wbtzkqhttp://www.monografias.com/trabajos14/control/control.shtml#def#ixzz3T1wJZwVehttp://www.monografias.com/trabajos-pdf3/glosario-terminos-control/glosario-terminos-control.pdfhttps://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3330/5/34059-5.pdffile:///C:/Users/Clio/Downloads/861587772.T9%20-%20Analisis%20y%20Dise%C3%B1o%20de%20Sistemas%20de%20Control%20a%20Lazo%20Cerrado.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_LTIhttp://dea.unsj.edu.ar/control1b/teoria/unidad1y2.pdf

Edwin robles orozco

9