Filosofias de Control Segunda Edicion
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7/31/2019 Filosofias de Control Segunda Edicion
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Universidad de Santiago de ChileFacultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera Elctrica
FILOSOFAS DE CONTROLSEGUNDA EDICIN
OSCAR PEZ RIVERA
PROFESOR ASOCIADO DEL
DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
ACTUALIZADOOCTUBREDE2008
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Oscar Pez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniera Elctrica
1. PALABRAS PRELIMINARES
Los sistemas existen independientemente del observador que los estudia, y sus
propiedades deben ser descubiertas a fin de poder usarlos con algn propsito. Una
de las formas en que usa el hombre a estos conocimientos es el control de estos
sistemas y en particular interesan los sistemas productivos ya sea de bienes o
suministros.
La palabra control es usada en diferentes contextos, la esencia de ella esta en la
accin de controlar que es lograr que lo que se controla evolucione, acte de una
forma previamente establecida. Para lograr controlar se requiere al menos la existencia
de un nuevo sistema llamado controlador.
El control supone la interaccin entre dos sistemas: el controlador y el sistema
controlado, ambos forman el sistema bajo control. La interaccin ocurre cuando el
controlador usa sus salidas como estmulos para el sistema controlado; a su vez la
respuesta de este sirve como entrada al controlador. A veces para controlar se
requiere suministrar fuerzas y energas al sistema controlado, en ese caso es
necesario disponer de un amplificador de las salidas del controlador. esto se logra con
otro sistema llamado sistema de actuacin el que obtiene la energa de redes de
suministro , por ejemplo de la red elctrica publica.
En ocasiones, es posible que el controlador y el sistema controlado ms el sistema de
actuacin formen fsicamente un todo, en tal caso se dice que el sistema en global
presenta un control interno o auto control.
El hombre en s mismo es un sistema autocontrolado que tiende a controlar a otros
sistemas. En particular ha controlado por siempre a los sistemas que emplea para
procurarse lo que necesita para poder vivir. Tal clase de control se llama manual. Con
el desarrollo de la ciencia e ingeniera estos sistemas productivos artificiales han
llegado a niveles de perfeccin y complejidad muy altos, el control manual se torna
inadecuado en muchos casos y se hace necesario lograr mejores medios de control de
los procesos productivos.
La solucin moderna a lo recin sealado es el desarrollo de los sistemas de control
automtico.
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Oscar Pez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniera Elctrica
Este texto corresponde a las clases de un curso de controlautomtico orientado a
la ingeniera de control e instrumentacin que ha dictado el autor por 30 aos en el
Departamento de Ingeniera Elctrica de la Universidad de Santiago de Chile.
Oscar Pez Rivera
Ingeniero CivilElectricista de laUniversidad de Chile yMagister en IngenieraElctrica de la mismacasa de estudios. Es
Profesor Asociado delDepartamento deIngeniera Elctrica de laUniversidad de Santiagode Chile y Director de lacarrera Ingeniera deEjecucin en Electricidad Mencin automatizacinIndustrial Modalidad Vespertina desde 1995 a la fecha.Actualmente dicta las asignaturas de Ingeniera Civil enElectricidad: control de sistemas y proyectos en Ingeniera.En la carrera de Ingeniera de Ejecucin dicta:automatizacin industrial y Control Automtico Industrial.
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2. DEFINICIONES BSICAS
Las definiciones que siguen constituyen parte del lenguaje que se requiere en la
Ingeniera de control, en realidad ayudan a entender el METALENGUAJE que se usa
en la disciplina.
Definicin 1. Proceso Conjunto ordenado de transformaciones de la
materia y energa con objeto de producir bienes u obtener suministros
(como por ejemplo suministros de energa elctrica).
Definicin 2. Planta Configuracin de elementos materiales donde
ocurre un proceso.
Definicin 3. Instrumento dispositivo capaz de generar , transmitir, controlar,
registrar y controlar una seal.
Definicin 4. Instrumentacin industrial actividad profesional que se dedica
a especificar, montar, configurar los instrumentos de plantas
industriales de modo que permiten el adecuado control de sus
procesos. Los procesos se controlan y las plantas se instrumentan
Definicin 5. Sensor Nombre global de un sistema capaz de detectar una
variable, cambiarla en escala de magnitud fsica, amplificarla,
linealizarla, filtrarla y acondicionarla como seal estndar de manera
predeterminada. El sensor puede ser separado o integrado con otros
elementos de un lazo de control. El nombre sensor se asocia a
variables anlogas. El equivalente en seales discretas (on-off) se
acostumbra a llamar detector.
Definicin 6. Elemento primario Parte del sensor que efecta la
captura de la informacin asociada a la variable bajo medicin.
Tambin, es el que efecta la primera transduccin de variable fsica a
seal.
Definicin 7. Transmisor Dispositivo que obtiene una variable de
proceso por medio de un sensor y que tiene como salida variados
valores que son slo una funcin, predeterminada, de la variable de
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proceso. Este dispositivo puede, o no, estar integrado con el sensor.
Este dispositivo es capaz de comunicar a distancia el estado de una
variable bajo observacin.
Definicin 8. Elemento final de control Dispositivo que funcionalmente
modula la materia o energa inyectada o extrada del proceso. Por
ejemplo, una vlvula de control. En otras palabras, parte del sistema
de actuacin encargado de suministrar la fuerza, energa y potencia al
proceso, son elementos finales de control motores, bombas,
calefactores, quemadores etc. con frecuencia, en el ambiente de
procesos industriales, se considera a las vlvulas de control como
elementos finales de control.
Definicin 9. Sistema de actuacin Nombre global del sistema que
permite influir en el proceso con fines de control. En otro sentido, el
sistema de actuacin es una parte del sistema de influencia sobre el
proceso. Por ejemplo, sistemas elctricos, neumticos, mecnicos, etc.
Este dispositivo, es capaz de suministrar energa modulada al sistema
para su evolucin. El sistema de actuacin capta la energa desde una
red de energa las que en general son redes estndar de suministros
(elctricas, neumticas, etc.) y la modula en base a una seal dbil de
mando proveniente de un controlador.
Definicin 10. Red de energa Sistema capaz de suministrar energa en
condiciones estndar de funcionamiento. Por ejemplo, redes elctricas,
neumticas, petrleo, aceite comprimido, etc. Las redes de energa
funcionan a un valor de gradiente constante, por ejemplo: voltaje
constante de 220 VAC, 24 VDC; presin de aire constante 120 psi;
presin de vapor constante 150 psi.
Definicin 11. Constante de proceso Atributo o propiedad de la materia o
energa que permanece fija en el tiempo.
Definicin 12. Parmetro Atributo o propiedad de la materia o energa que
permanece ms o menos fija en el tiempo o, que su variacin en el
tiempo es despreciable respecto de las escalas de magnitud de un
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proceso. El parmetro se diferencia de una constante en el sentido que
es ajustable segn diseo. Los parmetros pueden depender de la
geometra, en tal caso los sistemas se llaman de parmetros
distribuidos. Y, cuando no dependen de la geometra los sistemas se
llaman de parmetros concentrados.
Definicin 13. Variable Atributo o propiedad de la materia o energa que
cambia su valor debido al cambio que ocurre en otra propiedad de la
materia o energa; tras esta definicin subyace el concepto de causa
efecto; una cantidad es variable porque depende de otras cantidades y
cambia junto con ellas. Es frecuente asociar la variable con la funcin
matemtica que describe su evolucin en el tiempo.
Definicin 14. Variable anloga Variable definida en todo instante y que
puede tomar todos los valores de su escala de amplitud.
Definicin 15. Variable de fuerza Se dice que una variable es de fuerza o
es una variable fuerte cuando su valor no se altera cuando el sistema a
la que pertenece se interconecta con otro y hay una significativa
cantidad de energa transferida entre ambos sistemas.
Definicin 16. Variable dbil Se dice que una variable es una variable
debil cuando su valor se altera notablemente cuando el sistema a la
que pertenece se interconecta con otro y hay una significativa cantidad
de energa transferida entre ambos sistemas.
Definicin 17. Seal Especial clase de variable dbil asociada a la salida de
un instrumento de transduccin. Lo esencial de una seal es que es
una variable que se presta para representar a otras variables gracias a
su facilidad para ser captada, almacenada y procesada. En control e
instrumentacin, finalmente se han establecido rangos de magnitud
fsica que permiten hablar de seales estndares de control. Esos
rangos son: corriente de 4 - 20 [mA]; voltaje de 1 - 5 [volts] y presin de
aire comprimido de 3 - 15 [Psi].
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Definicin 18. Variable salida de control es aquella variable que si se
controla garantiza el buen funcionamiento del fenmeno y a veces del
proceso. Este tipo de variable ser sealada por la letraY
Definicin 19. Perturbacin Variable de fuerza no controlada y cuya aparicin
puede tener una cierta probabilidad de ocurrencia. Las perturbaciones
alteran el desempeo de un sistema bajo control y no son tiles en
ningn sentido. Este tipo de variable ser sealada por la letra P
Definicin 20. Variable de Carga Variable de fuerza programable o
considerada en el diseo desde el punto de vista de su demanda de
energa. Las cargas representan la interaccin del sistema controlado
con su entorno, si bien alteran el desempeo del sistema bajo control,
muchas veces representan la finalidad del sistema. Como ejemplo
puede mencionarse la corriente de lnea de un sistema autgeno de
electricidad Este tipo de variable ser sealada por la letra L
Definicin 21. Variable de Actuacin Variable de fuerza manejada por el
controlador. La variable de actuacin es la respuesta del sistema de
actuacin y es aquella variable capaz de equilibrar el efecto
perturbador de la variable de carga o de una perturbacin sobre la
variable salida de control. Este tipo de variable ser sealada por la
letra X
Definicin 22. Ruido Variable dbil no deseada e inmanejable desde el punto de
vista de su generacin. El ruido puede ser importante a nivel de las
seales de control y de deteccin.
Definicin 23. Control Trmino genrico que alude a las acciones de
vigilancia, supervisin, manipulacin, manejo, etc.
Definicin 24. Variable controlada una variable est bajo control cuando
evoluciona de una manera previamente definida
Definicin 25. Control de procesos industriales actividad profesional que se
dedica a controlar los procesos industriales de modo que estos ocurran
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respetando ciertos estndares de produccin. Los procesos se
controlan y las plantas se instrumentan
Definicin 26. Lazo Una combinacin de dos o ms instrumentos o
funciones de control conectadas de tal manera que las seales pasen
de una a otra con el fin de controlar o medir una variable de proceso.
Definicin 27. Lazo de control cadena de instrumentos que se emplean para
ejecutar una estrategia de control, un lazo comienza en una variable de
proceso y finaliza en un elemento final de control.
Definicin 28. Controlador Instrumento que realiza la funcin de
controlar. Este, puede ser integrado con otros elementos funcionales
de un lazo de control.
Definicin 29. Estrategia de control principio funcional mediante el cual es
posible controlar un sistema
Definicin 30. Lazo cerrado Es un lazo en el cual la desviacin de la salida es
ocupada para la correccin de la entrada.
Definicin 31. Set-point Una seal de entrada, que coloca el valor
deseado de una variable bajo control. El set-point puede ser colocado
en forma manual, automtica o programada.
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3. DEFINICIONES COMPLEMENTARIAS
Las definiciones que siguen constituyen parte del lenguaje que se requiere en la
Ingeniera de control, en realidad ayudan a entender el METALENGUAJE que se usa
en la disciplina. Algunas de estas definiciones estn establecidas por la ISA.
Def 1. Binario Termino aplicado a una seal o dispositivo que tiene slo dos
posiciones discretas o estados. El trmino denota un estado "alto-bajo", "on-
off", etc.
Def 2. Dispositivo inteligente Dispositivo basado en un microprocesador.
Def 3. Configurable Trmino aplicado a un dispositivo o sistema cuyas
caractersticas funcionales pueden ser cambiada mediante hardware o software
que no afectan su estructura bsica.
Def 4. Estacin (sala) de control Lugar en que residen los equipos para la
supervisin y control de un proceso. Esta estacin automtico-manual tiene la
caracterstica que desde ella la salida del lazo de control se puede manejar en
forma manual, por lo cual est provista de una serie de indicadores, luces, y
otros elementos. Esta estacin, adems, posee un interruptor para intercambiar
entre el modo de control manual y el modo de control automtico del lazo de
control.
Def 5. Conversor Un dispositivo que recibe informacin de un instrumento
con una determinada forma de seal y proporciona en su salida una seal de
otra forma fsica. Cabe sealar si, que un instrumento el cual cambia la salida
de un sensor a una seal estndar es designado como un transmisor.
Def 6. Monitor En general, es un instrumento o sistemas de instrumentos
usados para medir o sensar el estado o magnitud de una o ms variables con
el propsito de obtener informacin de stas. El trmino monitor es muy poco
especfico, a veces es tomado como analizador, indicador o alarma. Incluso
puede ser usado como un verbo (monitorear).
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Def 7. Panel Una estructura que tiene un grupo de instrumentos montados
en l asequible al operador de proceso, teniendo cada uno nica designacin.
El panel puede constar con una o ms secciones, consolas, etc.
Def 8. Luz piloto Una luz que indica la existencia de una condicin normal de
un sistema o de un dispositivo. La luz piloto NO es una luz de alarma. La luz de
alarma debe destacarse y tiene que actuar en forma intermitente.
Def 9. Soft-display Dispositivo que entrega informacin acerca del proceso
de control por medio de un software.
Def 10.Switch Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona, o transforma
uno o ms circuitos y que no est diseado como un controlador, relay o
vlvula de control.
Def 11.Transductor El trmino, en general, se refiere a un dispositivo que
recibe informacin de una o ms variables fsicas, modifica la informacin y/o
su forma, si es requerido, y produce en la salida la seal resultante.
Dependiendo de la aplicacin, el transductor puede ser un elemento primario,
un transmisor, relay, conversor u otro aparato.
Def 12.Controlador de lgica programable (PLC) Un controlador, usualmente,
con mltiples entradas y salidas que contiene un programa alterable y que
bsicamente, desarrolla control lgico.
Def 13.Relay Dispositivo que produce cambios de estados, de salida, en si
mismo por accin directa de alguna variable de entrada. Por ejemplo, relay
electromecnico (variable: corriente), relay trmico (variable: temperatura),
presostato (variable: presin), lmite de carrera (variable: desplazamiento), etc.
Def 14.Controlador digital Dispositivo basado en microprocesadores capaz
de implementar uno o ms lazos de control digital.
Def 15.Control digital Filosofa de control basada en el muestreo sincrnico o
asincronico de la variable bajo control para su correccin. Las acciones de
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Def 25.Remoto Control desde una estacin o sala de control o de
cualquier otro centro de mando.
Def 26.Variable digital Variable definida en todo instante de tiempo, pero que
slo puede tomar dos valores de amplitud (1 0). Por ejemplo, 0 [ V ] 5 [ V ];
4 [mA] 20 [mA]; etc.
Def 27.Estacin manual Dispositivo o funcin, en el cual, su salida es
manualmente ajustable y que es usada para actuar sobre uno o ms aparatos
remotos. La estacin manual es una parte de la sala o estacin de control.
Def 28.Medicin La determinacin de la existencia de una magnitud o variable.
Def 29.Programa Una secuencia de acciones que definen el estado de la salida
como una relacin fijada por un set de entradas.
Def 30.Muestreo Accin de tomar valores, de una manera predeterminada, de
un nmero de variables en forma intermitente. La funcin de un dispositivo
muestreador, es obtener frecuentemente el estado o valor de una variable.
Def 31.Soft-controller Es un lazo de control implementado por software.
Def 32.Hard-controller Es un lazo de control implementado por dispositivos
fsicos.
Def 33.Hard-display Dispositivo destinado a desplegar informacin acerca
del control del proceso por un nmero de avisos en el comando del operador.
Def 34.Automatizacin Se llama automatizacin al proceso de incorporar autmatas
a la tarea en cuestin.
Def 35.Autmata Un autmata es un sistema artificial construido con un objetivo
definido. Para cumplir con su tarea, el autmata esta dotado de los recursos de
hardware y software adecuados, dispone del suministro de energa suficiente
para su funcionamiento. Adems, s el objetivo final es el control, entonces, el
autmata debe estar conectado al sistema, de modo que puede recibir y dar
las seales que se necesitan para controlarlo.
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4GENERALIDADES SOBRE EL CONTROL AUTOMTICO
El inters del empresario esta en posicionarse bien en el mercado, para ello requiere
obtener productos de calidad, econmicos y atractivos. El control automtico ayuda a
lograr esos objetivos. Mediante el control automtico es posible ahorrar materias
primas y energas.
Los productos se generan en una infraestructura llamada planta. En la planta ocurren
los procesos necesarios para generar los productos.
El autmata que realiza el control se llama controlador
Para poder controlar el proceso que ocurre en la planta es necesario instrumentarla
agregando los sistemas de actuacin y sensores necesarios. Se llama sistema de
control automtico al conjunto dado por el controlador, el sistema de actuacin y
sensores.
Se llama sistema bajo control al conjunto dado por la planta y el sistema de control
automtico
En general: las plantas se instrumentan y los procesos se controlan
4.1 reglas de oro del control
Existen unas reglas de oro sobre el control automtico, originadas en terreno, estas
reglas estn planteadas en el sentido negativo y son las siguientes:
Regla del conocimiento:
No se puede controlar lo que no se conoce
Regla de la medicin:
No se puede controlar lo que no se puede medir
Regla de la potencia
No se puede controlar si no se dispone de la potencia necesaria
De la regla del conocimiento
Esta regla es obvia, pero que se necesita conocer para poder controlar un proceso?
Se necesita una cantidad restringida de conocimiento que se organiza en algo llamado
Modelo del proceso o simplemente Modelo
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Un modelo de un proceso es una representacin simplificada del mismo en trminos
de las constantes, parmetros y variables que intervienen en su desarrollo.
El modelo no es el proceso, pero funciona como el proceso.
Entonces, la regla del conocimiento puede enunciarse en trminos positivos de la
siguiente forma
Para controlar un proceso se necesita un modelo del mismo
De la regla de la medicin
La Ingeniera moderna se basa en las ciencias exactas, importan las cantidades, paralos seres humanos las cantidades provenientes de proceso se obtienen deindicadores, los que despliegan nmeros en forma digital o anloga ( agujas y relojesde medicin) Sin embargo, en el control automtico, son artefactos los que realizan elcontrol automtico. Estos artefactos (instrumentos) se comunican por medio deseales, las que son generadas por otros instrumentos; de all a que no es puedecontrolar si no existe la adecuada instrumentacin de las plantas.
Entonces, la regla de la medicin puede enunciarse en trminos positivos de lasiguiente forma
Para controlar un proceso se necesita instrumentar la planta en que sedesarrolla.
De la regla de la potencia
Esta regla se relaciona con las variables X_L_Y del modelo para control de un
proceso.
El modelo matemtico de un proceso es un conjunto de ecuaciones para las variables
que intervienen en su desarrollo. Lo que se ha aprendido en la prctica es que cuando
una variable se controla adecuadamente el proceso entero ocurre bien. Esta es la
variable salida de control designada por la letraY: sin embargo, La variable de carga L(o una perturbacin P) puede afectar el comportamiento de la variable de salida de
control; pero si existe una variable de fuerza X que pueda balancear los efectos de L o
P, entonces es posible controlar el proceso
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5 DEL MODELO X_L_Y
Como se ha sealado, el modelo X_L_Y corresponde a un modelo del fenmeno o
proceso orientado a su control automtico.
A continuacin se muestran algunos de estos modelos
5.1 Fenmeno o proceso de mezcla
El proceso de mezcla es muy usado en las
industrias qumicas. En el reactor se aloja un
ancla que es rotada a travs de un motor y un
tren de engranajes (GEAR) se tienen las
siguientes variables y parmetros:
n1 velocidad de rotacin del motor
n2 velocidad de agitacin
R1 radio del engranaje primario
R2 radio del engranaje secundario
Puesto que en el punto de contacto de ambos
engranajes, la velocidad tangencial Vt es la
misma, entonces
n1 R1=n2 R2 de donde
n1 R2
n2 R1= sea
R1a
R2= es decir
n1 1
n2 a=
por conservacin de la energa Tm n1= Ti n2, de donde
Tm 1
Ti a=
la ecuacin de equilibrio mecnico
en el lado del mezclador es:
2 2L L Ldn1Tm aT (a J ) (a B )n1
dt
Desde el lado del motor (n1;Tm), el tren de
engranajes reduce la velocidad de giro es
decir a
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El Diagramas de bloques que le corresponde es el de la Figura M1_a se puede
reconocer a este proceso de agitacin con un modelo X_L_Y en el cual Y=n2; X=Tm
L=TL
L=TL
X=Tm Y=n2
FiguraM1_b
5.2 Fenmeno o proceso de acumulacin
El proceso de acumulacin de lquidos en estanques o reactores es muy usado en lasindustrias. Desde el estanque se saca un flujo Fs. Al estanque llega un flujo de
reposicin Fe. se tienen las siguientes variables y parmetros:
V volumen ocupado por el liquido (variable)
A rea transversal del estanque (constante)
H altura del liquido en el estanque (variable)
Fe flujo volumtrico de reposicin
Fs Flujo Volumtrico de consumo
Se tienen las siguientes ecuaciones
Conservacin del volumen (lquidos incompresibles)
dVFe Fs
dt
t
00
Fe Fs
H HA
Evidentemente la variable salida de control es la alturadel estanque; la variable de carga es el flujo de
consumo y la variable de actuacin es el flujo de
reposicin.
X=FeL=Fs
Y= H
FiguraM2
FiguraM2_b
X=Fe Y=H
L=Fs
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6 SOBRE COMO CONTROLAR UN PROCESO:
En la actualidad existen varias formas de como controlar un sistema. En todas ellas se
hace interactuar la planta con un controlador, como las salidas del controlador son solo
seales, se emplea como amplificador un sistema de actuacin. En un sistema de
control se reconocen dos aspectos
La estructura fsica o instrumentacin de control.
La filosofa de control.
Una filosofa de control es un conjunto de decisiones basadas en conceptos que
permiten alcanzar de una forma especfica objetivos previamente definidos.
La instrumentacin de control se adapta a la filosofa de control. Un poco ms
adelante se mencionan los principios de control que permiten construir filosofas de
control clsicas.
6.1 Instrumentacin.
Los sistema de control industriales son modulares y los mdulos se llaman
instrumentos. La arquitectura de estos sistemas se representa mediante planos; para
el dibujo de estos se usan normas; en instrumentacin la norma ms aceptada es la
dada por la ISA (Instrument Society of Amrica), y que es la que se usa en este texto.
Los sistemas de control automtico estn estructurados en base a la interconexin de
los siguientes instrumentos: transmisor; sistema de actuacin ;controlador, por
favor revise las definiciones del punto 2.
El controlador acepta como entradas posibles a seales del estado real del proceso
que provienen de terreno a travs de los transmisores y las seales de ordenes que
provienen del operador ( set point local) y las seales de ordenes que provienen de
otros instrumentos ( set point remoto)
El controlador genera el mando al sistema de actuacin; este funciona como un
amplificador de poder al transformar la seal manipulada m en una fuerte variable de
actuacin X.
En trminos generales los sistemas de control cuentan con interfases para
comunicarse desde y hacia el operador . En las figuras sealadas se ha omitido la
representacin de tales interfaces, as, todas las variables y seales all representadas
corresponden al dominio exclusivo de las maquinas.
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7. ESTRATEGIAS DE CONTROL
Considrese un modelo general de procesos que relacione la salidaY con las variables
de actuacin X y de carga L. En dicho modelo el problema general de control consiste
en como adecuar el valor de X de modo que Y evolucione como se desea a pesar
de la influencia de L.
Recurdese que algo muy importante es la eleccin de la variable de salida , de todas
las variables posibles del sistema real, la que se elige como salida es aquella que al
ser controlada logra el mejor desempeo del proceso.
A continuacin se estudian 5 estrategias de control de uso frecuente en la industria
que buscan resolver distintos problemas que se presentan en la solucin del problema
recin enunciado.
7.1 Lazo abierto
En la Figura 1se muestra el diagrama de bloques que representa aesta filosofa es
una cadena directa de transformaciones de seales y variables.
En esta estrategia se busca proveer una curva X(t), segn el conocimiento de la
demanda de carga L(t). Por tanto se trata de una programacin temporal. Usualmente,
el valor de X esta relacionado con el flujo de energa o el flujo de materias al proceso.
La idea detrs de un control en lazo abierto es la confianza y el equilibrio, es decir, se
supone que las condiciones de diseo se mantienen y, por lo tanto, los aportes de
energa al sistema se programan segn una condicin de equilibrio dada.
Esta estrategia debe tomarse como la primera aproximacin al problema de lograr que
Y(t) tenga una trayectoria definida en el tiempo. Se trata de una solucin simple,
apropiada para el manejo de muchas variables simultneas, adecuada al caso de
consumos L(t) estables y bien definidos.
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y se agrega un sensor el Diagrama de bloques
de este controlador se muestra en la Figura 2_a;
en un controlador de lazo cerrado(FB) existen
dos entradas y una salida, Una de las entradas
es una seal de referencia ry la otra entrada c
proviene del transmisor. El controlador dispone
de un comparador que realiza la diferencia e r c= , la nueva variable e error es
procesada por H(s) para obtener la salida m.
Es frecuente emplear un algoritmo PID para obtener m
de 1m Kc[e Td e ]
dt Ti= + + .
La filosofa del lazo cerrado es la desconfianza, se duda de que lo calculado y
ejecutado alcance lo que se desea. Adems, utiliza la desviacin del valor actual
de la salida Y con el valor deseado de la misma para corregir la evolucin del
sistema.
Este mtodo es conocido como el principio de control por realimentacin. Al observar
el diagrama de bloques que le corresponde, Figura 2, se aprecia que la Informacin
sigue una cadena cerrada; por tal razn se le conoce por sistema de control en lazo
cerrado. Hay un factor de diseo que es necesario comentar: se emplea con
frecuencia un rango de 4 a 20 mA para las seales de instrumentacin, en este caso
para la referencia r y la salida c del transmisor. El transmisor se diseo de modo que
el rango (Ya, Yb) de la variable actual de salida YA se corresponda con el rango de 4
a 20 mA de la seal c
Por otra parte, la referencia r se hace corresponder con la variable de salida deseada
YD de forma similar, esto se muestra en la Figura 2_c. El funcionamiento optimo del
lazo de control se consigue si e=0 , lo que significa r=c y por lo tanto que la salida
deseada es igual a la salida actual.
En este tipo de
estrategia, el
controlador le cree en
un 100% al sensor por
lo que este debe ser
lineal, instantneo y
de muy buena calidad
constructiva. La
mFB
+r e
c
+
-H(s)
Figura 2_a
YD
YbYa
r
20mA
4mA
YA
YbYa
c
20mA
4mA
Figura 2_c
-
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E23 Se tiene que controlar el nivel Y de
un estanque (constituye la variable de
salida de control). Para ello se agrega la
instrumentacin de la Figura 4 a . La
carga para este proceso es el flujo L de
consumo que vaca el estanque, la
variable de actuacin es tambin un flujo
X que rellena el estanque. En el dibujo
de la Figura 4 a est el diagrama de
procesos e instrumentacin que
corresponde. En el dibujo de la Figura 4
b el diagrama de bloques que
corresponde.
El lazo cerrado es evidente en el
diagrama de bloques, en el
diagrama de procesos e
instrumentacin debe
razonarse como sigue: El nivel
actual Y es detectado por el transmisor de nivel LT 10; la seal c que se genera llega
al controlador realimentado LC 10; este genera la seal m que conecta al conversor
corriente presin de la vlvula de control ; en el conversor se amplifica la seal de 4
a 20 mili amperes en otra de 3 a 15 psi, la que mueve el actuador de la vlvula.
Segn las caractersticas del circuito hidrulico, es el monto del aumento del flujo X;
por ltimo este aumento se traduce en un cambio en el nivel cerrando as el lazo.
I/P
LT10
LC10
x
L
Y
Figura 4 a
VC10
Ps
SPL_10
ESTANQUECIRCUITO
HIDRULICOLC1 0
LT10
L
YXm
c
r
Figura 4 b
-
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7.3 Control en prealimentado
Hay sistemas en los cuales la
variable bajo control no puede estar
fuera de rango por ms de un tiempo
determinado y si a esto se suma que
algunos procesos existen fenmenos
de transporte a su interior; el efecto
de una perturbacin puede ser
grave. Esto se debe a que los efectos de la nueva situacin demoran en reflejarse en
la salida y por tanto no son detectados por el sensor en forma inmediata de modo de
comenzar una correccin. Por la misma razn de la demora en manifestarse los
efectos de la carga o perturbacin, es posible una gran demora en notarse los efectos
de la correccin.
Cuando se inicia la correccin el efecto de la variable de actuacin X tiene un tiempo
de transporte. Ese tiempo puede ser demasiado para el sistema bajo control.
Es por eso que se utiliza el control prealimentado
que es, en palabras simples significa: anteponerse
a los efectos de la perturbacin, para ello se utiliza
un lazo de control para detectar y corregir el efecto
de la perturbacin cuando esta ocurriendo. El
sistema de control responde en forma inmediata a la ocurrencia de la perturbacin,
generando, la respuesta necesaria para anular o al menos atenuar el efecto en la
salida bajo control.
El esquema general del control prealimentado se muestra en la figura 5. Es importante
destacar, que el control prealimentado es del tipo lazo abierto, vale decir que no se
mide la variable bjo control ; si aparece otra perturbacin no sensada, es decir no
considerada para esta filosofa de control entonces no existe compensacin a sus
efectos.
El controlador prealimentado (FF) es un filtro que afecta a la seal de carga, y por
ello tiene solamente una entrada y una salida(Figura 5_a). En el filtro est
considerada una ganancia esttica y una respuesta transitoria a un escaln de la
variable L
PROCESOSISTEMA DEACTUACIN
CONTROLADORFF
SENSOR DE LACARGA
L
X Ym
Figura 5
LH(s)
Figura 5_a
mFF
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Ejemplos:
E31 Otro ejemplo de la biologa. El organismo de un animal detecta un peligro posible,
anteponindose al posible efecto, ordena secretar adrenalina que eleva el tono
muscular; aumenta la concentracin
y la presin sangunea. El fenmeno se llama estrs.
E32 El control de nivel de un estanque, en el cual se utiliza la salida del estanque
como la perturbacin del sistema. Este ejemplo se muestra en la Figura
6.Obsrvese que el flujo L detectado se traduce en un flujo de reposicin X , la idea
es ingresar el mismo flujo que se saca, se est controlando Y sin medirlo; esto
confirma la naturaleza de lazo abierto de esta filosofa de control.
I/P
FT20
LC20
x
L
Y
ESTANQUECIRCUITO
HIDRULICOLC20
FT20
L
X Ym
Figura 6
Es usual mezclar la prealimentacin con larealimentacin a fin de generar sistemas muyestabilizados y precisos de control.
En la Figura 7 se muestra la realizacin para elcontrol del nivel del estanque . en esta solucin,el flujo de reposicin X es manejado por lavlvula de control. Como esta vlvula esaccionada por aire comprimido, se emplea unconversor de corriente a presin (i / p) el quetransforma la seal de corriente en presin .esteconversor es manejado por la seal de salida deun instrumento que suma la salida delcontrolador de lazo cerrado de nivel y la salida deprealimentacin del controlador LC -20
I/P
LT10
LC10
x
L
Y+
FT20
LC20
Figura 7
-
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7.4 Control en cascada.
El control en
cascada es
utilizado
normalmente para
los casos en que
la variable de
actuacin es
afectada por algunos problemas como los siguientes.
Fluctuaciones notables en la red de suministro; Severas no linealidades del sistema
de actuacin.Estos problemas se traducen en que la variable de actuacin no sigue a la seal de
mando del controlador en forma apropiada (no hay proporcionalidad entre un
incremento del mando m con el incremento en X)
La solucin para esta dificultad se muestra en la Figura se emplea un lazo de control
realimentado para mejorar el desempeo del sistema de actuacin y la red de
suministro a la cual esta conectado. La referencia para este lazo (lazo esclavo) es la
seal manipulada del controlador principal ( lazo maestro)
La esencia de un esquema de control en cascada es que un lazo de controlesclavo (frecuentemente realimentado) es manejado por la salida de uno o ms
controladores maestro(s)
Ejemplo 41 En la Figura 9 se muestra una aplicacin al control de nivel, en este caso,
adems de linealizar la caracterstica de la vlvula, se soluciona el efecto de bajas de
presin en la lnea de alimentacin (X)
PROCESOCONTROLA
DORMAESTRO
Figura 8 CONTROL EN CASCADA
SENSORMAESTRO
L
Yr SISTEMA DEACTUACIN
CONTROLADOR
ESCLAVO
SENSORESCLAVO
xmsmm
cm
cs
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7.5 Control de razn.
EL control de razn se debe utilizar en los casos en que se requiera que dos o
ms reactivos, u otros elementos, se tengan que mezclar en una cierta proporcin
instante a instante (no es posible pesar uno y luego el otro para juntarlos de una vez).
Un control de razn se puede obtener de variadas maneras:
Empleando un instrumento construido expresamente para ello (solucin por
hardware)
Empleando una macro programada expresamente para ello (solucin por software)
Empleando un sistema de control en lazo abierto
Empleando un sistema de control en lazo cerrado
instrumento : Hay fabricantes que disean instrumentos para aplicaciones
especificas como ser el control de combustin
software Hay controladores por software incorporados en computadores
industriales
control de razn en lazo abierto. Considere el diagrama de bloques de la Figura
10 . En ella se muestra un sistema de control en lazo abierto que busca seguir a
una fraccin de la variable principal; esta solucin tiene todos los defectos del lazo
abierto, no hay certeza que el cuociente U/Ya sea el deseado.
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PROCESOSISTEMA
DEACTUACIN
FACTOR DERAZN
Figura 10 CONTROL DE RAZN DE LAZO ABIERTO L
YXmCONTROLADOR
FACTOR DERAZN
SENSOR
VARIABLEPRIMARIA
Control de razn en lazo cerrado.
PROCESOSISTEMA D EACTUACIN
CONTROLADORFB
SENSOR
L
YXm
c
rFACTOR DERAZN
FACTOR DERAZN
SENSOR
FLUJOMAESTRO
FLUJOESCLAVO
Figura 11U
Considere el diagrama de bloques de la Figura 11. En ella se muestra un sistema decontrol en lazo cerrado para que un flujo esclavoY pueda seguir al flujo maestro U. S
el control es bueno entonces la relacin U/Y puede aproximarse a un valor a
previamente definido en forma aceptable.
Ejemplo 51 En un proceso qumico se debe lograr mezclar los flujos U e Y de modo
que U/Y =
.
I/P
FT10
FT20
FC20
U FLUJOMAESTRO
Y FLUJOESCLAVO
CIRCUITOHIDRULICO
YFT10
U FLUJOESCLAVO
Figura 12_a
FC20
VC 20
FT20
VC20
En el diagrama de procesos e instrumentacin de la Figura 12_a se muestra la
solucin generada en base a un sistema de control en lazo cerrado. Se desea que el
flujo esclavo Y siga al flujo maestro U. La proporcin entre los flujos queda dada por
las ganancias de los sensores de flujo.
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Ejemplo 52 Control de la combustin
En la Figura 12_b se presenta un sistema de calentamiento controlado de modo delograr combustin ptima, el flujo de petrleo es manejado por la vlvula VC-10, estemanejo es hecho por otro instrumento mediante una seal remota. El transmisor deflujo FT-10 genera una seal que es ajustada por una estacin manual HK-10 demodo que
r20 s1 0,5 1, 5 =
el set-point generado hace que el flujo de aire (controlado por FC-20) siga al flujo depetrleo en una proporcin previamente definida y que optimiza la combustin.
I/P
HK10
FC20
I/P
FT
20
Estacin manual deajuste
QUEMADOR
Aire
P etrleoFT10
Set point
Figura 12_b
V_20 Damper
Seal
remotaVC
10
VC20
s1
m20
r20
8 LAZOS DE CONTROL
En proyectos y en la disciplina de instrumentacin y control se habla mucho de lazos
de control, paradjicamente los Ingenieros de terreno entienden cosas diferentes porlazo de control, en esta seccin se plantea una definicin de lazo de control que ms omenos incluye lo que en terreno se alude como lazo de control.
Definicin: Un lazo de control es la cadena de instrumentos que se origina en unsensor y finaliza en una vlvula de control o en un lazo de control esclavo.
Cada lazo de control corresponde a una estrategia de control y en general puede sertil establecer el Diagrama de Procesos e Instrumentacin del lazo, su cadena y una
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tabla de los instrumentos involucrados. Aprovechando el desarrollo del prximo puntose vern ejemplos de lo sealado.
9. CONTROL DE VARIABLES DE PROCESO
En los procesos industriales es frecuente la necesidad de controlar las siguientes variables
NivelPresin
FlujoTemperatura
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9.1 control de nivel9.1.a
En la industria se emplean estanques y reactores como parte de los
procesos, con frecuencia se requiere mantener nivel constante a pesar
de los consumos que se conectan a estos recipientes.
Problema
Se tiene el estanque de la Figura 13, se desea mantener constante
el nivel H, se sabe que el flujo de consumo es muy variable.
Modelo X_L _Y
Si V0 designa el volumen inicial se tiene que
t
0
0A * Y V X L= +
Esto refleja la conservacin del volumen del lquido.
Luego para que Y sea constante se requiere que
X=L la mayor parte del tiempo. En la Figura 13_b se
muestra un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin simplificado para la solucin de
este problema, ya que la vlvula V_01 genera
grandes variaciones de flujo L, entonces el lazo de prealimentacin dado por: FT-20
LC-20 S-00 produce una compensacin instantnea por el flujo de carga. Como
esta compensacin no es absolutamente exacta, el lazo dado por:
LT-10 LC- 10 S-00 produce una seal de compensacin mientras exista error, es
decir hay una accin de compensacin mientras el nivel actual no sea igual al nivel
deseado. Esto es particularmente cierto si el controlador de lazo cerrado LC-10
incluye una accin integral, por ejemplo del tipo proporcional- integral. Para poder
controlar efectivamente el nivel, es necesario disponer de un circuito hidrulico de
reposicin (que permite generar el flujo X de actuacin) dicho circuito hidrulico es
en realidad el sistema de actuacin y con frecuencia el elemento del mismo que
permite la interconexin con el sistema de control es la vlvula de control.
X=FeL=Fs
Y= HFigura
13
I/P
LT10
V01
x
L
Y +
FT20
LC20
Figura 13_b
LC10
S00
V00
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9.1.b1 Control prealimentado de nivel en cascada
Problema
Se tiene el estanque de la Figura 13, se desea
mantener constante el nivel H, se sabe que el
flujo de consumo es muy variable y asu vez la
presin del circuito hidrulico de reposicin es
muy variable.
El lazo de prealimentacin representado en
la Figura 13 y la Figura 13_a ayuda a que
X=L ocurra la mayor parte del tiempo
El lazo prealimentado para el control de
nivel funciona de la siguiente manera: el
flujo de carga L (demandado mediante la
vlvula manual V-01 es detectado por el
sensor FT-20; la salida de este sensor cL alimenta al controlador FF (Feed Forward)
LC-20; la salida de este controlador es una entrada del sumador S-00 el que
finalmente maneja la vlvula de control V-00 mediante un flujo( control en cascada).
Obsrvese que el controlador FF es de nivel a pesar que recibe seal de un
transmisor de flujo. Adems obsrvese que la suma es inteligente ya que elresultado queda dado por: s00= [m20 -4] +[m30 -4] + 4
9.1.b.2 Control de nivel realimentado en cascada.
Para que el nivel del estanque Y no sea afectado, X debiera ser igual a L en todo
instante, pero, como eso no es exactamente posible, se hace trabajar el lazo de
control realimentado representado en la Figura 13 ; en la Figura 13_b se muestra la
cadena de instrumentos empleados.
I/P
LT10
V01
x
L
Y
+
FT
20
LC
20
Figura 13
FT30
FC30
LC10 S
00
V00
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El lazo cerrado de control de nivel funciona as: El nivel actual Y es detectado
mediante el transmisor de nivel LT-10, la seal c10 que genera se compara con la
referencia r10 al interior del controlador LC-10, la seal de correccin generada m10
pasa a la estacin de suma S-00 y de all al lazo de control esclavo de flujo que
maneja a la variable de actuacin X
Tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e Instrumentacin
(empleados en el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
13.)
Tag Tipo Variable medida o vlvula decontrol accionada o lazo de
control esclavo manejado.
funcin de la seal oclase de set point
LT_10 transmisor de nivel Nivel estanque Sensa variable bajo control
FT_20 transmisor de flujo Flujo L Sensa variable de carga L
FT_30 transmisor de flujo Flujo esclavo de control en
cascada
Sensa variable esclava en
lazo de control esclavo de
flujo
LC_10 Controlador maestro de lazo
cerrado de nivel del estanque
bajo control
Lazo de control esclavo de flujo Set point local
LC_20 Controlador prealimentado de
nivel del estanque bajo control
Lazo de control esclavo de flujo Set point remoto
proveniente de la estacin
de suma.
FC_30 controlador esclavo de control
de nivel del estanque
V 00 remoto
S-00 Estacin de suma Flujo esclavo de control en
cascada
No aplica
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9.2.b Control paralelo de presin
La presin de suministro Pc a un consumo puede controlarse tambin mediante un
caudal fantasma que se deriva al estanque madre como lo muestra la Figura 15. El
principio de funcionamiento se origina en la curva de la bomba centrifuga (Figura
15_a). Puesto que la presin de la bomba Pb es la misma que la presin del
consumo Pc, entonces para que esta sea constante, el caudal por la bomba
centrifuga debe ser constante y del valor que la curva determine.
Sea Pc0 el valor deseado para la presin de salida, entonces por la bomba debe
salir un caudal Qb0, para que se mantenga la presin debe cumplirsela siguiente
relacin
Qb0=Qc+Qv2
La vlvula de control debe ajustarse de modo que si la presin disminuye de lo
deseado, entonces debe disminuir el caudal que pasa por ella.
I/P
PT10
PC
10
Figura 15
Bombacentrifuga
Consumo
Qc
Pc
VC10
Pb
Qb
Qv2
Pb
Qb0
Figura 15_A
Qc2
Pc0
Qc1
Qb
Qv2
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9.3 Control de flujo
9.3.a control de flujo con vlvula de control
Se desea controlar el flujo suministrado a un consumo, este consumo presenta una
presin de carga Pc a ese valor de flujo. Considrese la Figura 16. A pesar de que
se trata de un suministro de un lquido, lo que se ver tambin se aplica para gases
en los cuales no ocurran grandes cambios de densidad. El esquema de control de la
Figura 16 emplea una vlvula de control para modular la diferencia de presin entre
la bomba y el consumo.
Modelo X_L _Y
Se tiene que la diferencia DPv de presin en los extremos de la vlvula de control
VC-20 esta dada por
DPv= Pb- Pc
Donde
DPv: diferencia de presin en la vlvula de control
Pb: presin de salida de la bomba centrifuga (Figura 16_A)
Pc: presin del consumo(variable con el caudal Qc controlado)
Qc: flujo de consumo
La curva de la Figura 16_a indica que la presin de la bomba centrifuga vara con
el caudal que debe impulsar. En este proceso, la variable Y salida de control es Qc;
la carga est dada por la presin variable Pc que resiste al caudal. Para que este
proceso pueda funcionar es necesario que la presin de la bomba sea siempre
mayor que la presin de carga La variable de actuacin X es la diferencial de presin
Dp que ocurre en la vlvula de control y que es manejable por la seal m20 (variable
manipulada por el controlador FC-20. la vlvula de control debe disminuir su
diferencia de presin cuando el flujo disminuye del valor deseado cuando la presin
de carga aumenta.
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9.3.b control de flujo con variador de frecuencia.
En algunos casos, para el control del flujo, se emplea por motivos de seguridad, un
variador de frecuencia como lo muestra la Figura 17. El variador de frecuencia se
usa para cambiar la velocidad a la cual el motor M mueve a la bomba y con ello
cambia la curva de operacin de la misma, Figura 17_A . En una bomba centrifuga
la presin de salida es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro y su caudal
es proporcional a la velocidad de giro. La condicin de equilibrio es a un Qc tal que
Pc=Pb, es decir debe existir una velocidad n que garantice eso; por ello esta forma
de control solo es posible cuando la caracterstica del consumo tiene una forma
similar a la de la Figura 17_B
Figura 17_B
Qc
FT40
SC40
M FC40
Pc
Pb
Figura 17
Consumo
Qc
Pb
Qb
Figura 17_A
Pc
Qc
n1
n2
n3
n4
n
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9.4 Control de temperatura9.4.1 Control de temperatura con llama
Se tiene el proceso de calentamiento de la
Figura 18. Se tiene adems un lazo de
control de nivel no dibujado que mantiene
razonablemente el nivel a pesar del flujo Qe
de entrada al estanque. El estanque
contiene un agitador que homogeniza la
temperatura de la fase liquida
Se desea controlar la temperatura de la fase
liquida por lo tanto la variable bajo control es
la temperatura T. Claramente una carga es
el flujo de liquido que ingresa al estanque. La
variable de actuacin es el flujo de calor
aportado por la combustin del gas licuado.
La instrumentacin mostrada en la Figura 17 corresponde a un esquema de control
de lazo cerrado ms una prelimentacin con el flujo de ingreso al estanque.
I/P
TC10
TC10
+
FT
20
TT10
Figura 18
VC10
S10
VH
Qe
QUEMADOR LPG
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En la Figura 22 se muestra la solucin correcta
Flujo1-2
LC30
LT30
I/P
FC20
I/P
FT21
FT20
LC10
LT10
I/P
tk1
Vc10
Vc30
tk2
Flujo fb
Flujo fa
Vc21
Figura22
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EJERCICIOS PROPUESTOS
Ejercicio 1)Considere el sistema de control automtico
de la Figura 4 a.
Se tiene un comportamiento insatisfactorio del sistema
bajo control y se ha logrado determinar que la presin
de suministro Ps se cae notablemente cuando se conectan otros consumos a
dicho punto.
Se pide:1 agregar la instrumentacin que mejore el desempeo del sistema bajo
control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solucin final y dibujarlos Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de la solucin final
Ejercicio 2)Considere el sistema de control automtico de la
Figura 4 a. Se tiene un comportamiento insatisfactorio del
sistema bajo control y se ha logrado determinar que la
relacin entre la variable de actuacin X y la salida m10 del
controlador de nivel LC-10 es fuertemente no lineal , tal
como lo muestra la Figura E1.
Se pide:1 agregar la instrumentacin que mejore el desempeo del sistema bajo
control.2 establecer los lazos de control involucrados en la solucin final y dibujarlos Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de la solucin final
X
m10
Figura E1
I/P
LT10
LC10
x
L
Y
Figura 4 a
VC10
Ps
SPL_10
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Ejercicio 7) Considere el sistema de control automtico de la Figura E2. Se pidegenerar un esquemtico de las conexiones elctricas y neumticas involucradas en dicha
Figura
Ejercicio 8)Considere el sistema de control automtico de la Figura 12b
Se pide:1 establecer los lazos de control involucrados en la Figura y dibujar los
Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos de la Figura
I/P
HK10
FC20
I/P
FT
20
Estacin manual deajuste
QUEMADOR
Aire
P etrleoFT
10
Set point
F igura 12_b
V_20 Damper
Seal
remotaVC
10
VC
20
s1
m20
r20
Ejercicio 9) Considere el sistema de control automtico de la Figura 12b Se pidegenerar un esquemtico de las conexiones elctricas y neumticas involucradas en dicha
Figura
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Ejercicio 10) Considere el sistema de control automtico de la Figura E3, este
sistema de control pretende obtener combustin ptima del petrleo. Se tiene un
comportamiento insatisfactorio del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que la presin de suministro Ps se cae notablemente cuando se
conectan otros quemadores.
Estacinmanualdeajuste
QUEMADOR
Petrleo
V_20Damper
Seal
remotaVC
10
Se pide:1 agregar la instrumentacin que mejore el desempeo del sistema bajo
control ante las cadas de presin Ps del soplador.2 establecer los lazos de control involucrados en la solucin final y dibujarlos Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de la solucin final
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Ejercicio 11) Considere el sistema de control automtico de la Figura E3, este
sistema de control pretende obtener combustin ptima del petrleo. Se tiene un
comportamiento insatisfactorio del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que el flujo de aire no sigue adecuadamente al flujo de petrleo.
Se pide:
1 agregar la instrumentacin que mejore el desempeo del sistema bajocontrol ante las cadas de presin Ps del soplador.2 establecer los lazos de control involucrados en la solucin final y dibujarlos Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de la solucin final
Ejercicio 12) Considere el sistema de control automtico de
la Figura E2. Se tiene un comportamiento insatisfactorio del
sistema bajo control y se ha logrado determinar que la relacin
entre la variable de actuacin X y la salida hm10 de la estacin
manual de trabajo HK-10 es fuertemente no lineal , tal como lo
muestra la Figura E3_a.
Se pide:1 agregar la instrumentacin que mejore el desempeo del
sistema bajo control.2 establecer los lazos de control involucrados en la solucin final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de la solucin final
X
hm10
Figura E3_a
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Ejercicio 13) Considere el sistema de
control automtico de la Figura E4. Se
tiene un comportamiento insatisfactorio
del sistema bajo control y se ha logradodeterminar que la relacin entre la variable
de actuacin X=DPv y la salida m10 del
controlador de presin PC_10 es
fuertemente no lineal , tal como lo muestra
la Figura E4_a.
Se pide:
1 agregar lainstrumentacinque mejore el
desempeo del sistema bajo control.2 establecer los lazos de control involucrados en lasolucin final y dibujar los Diagramas de bloquescorrespondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentacin de la solucin
Ejercicio 14) Considere el sistema de control automtico de la Figura E4. Se tiene
un comportamiento insatisfactorio del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que la presin de la bomba centrifuga Pb se cae notablemente
cuando se conectan otros consumos.
Se pide:1 agregar la instrumentacin que mejore el desempeo del sistema bajo
control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solucin final y dibujarlos Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de la solucin final
I/P
PT10
PC10
Figura E4
Consumo 1
Bombacentrifuga
VC10
Pb
Pc+ DPv -
Consumo 2
Consumo n
Consumo
Estanquemadre X=DPv
m10
Figura E4_a
-
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Ejercicio 15) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E5. Se desea determinar el comportamiento del sistema bajo control.
Se pide:1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control..
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E5
LT
1
LC
1
FT
2
I/PFC2
FT3
FT
5
LT4
LC4 +
I/P
FT
6
LC6
LC
5
F1
F2
F3
F4
F5
tk1
tk2
i/p Figura
E5
S
4
-
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Ejercicio 16) Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E6. Se desea el
siguiente comportamiento del sistema bajo control. Los estanques tk1 y tk2 deben
funcionar a nivel constante. Los flujos F4 y F5 son manejados por otros procesos.
Por cada litro de F3 que ingresa a tk2 , deben ingresar 10 litros de F2.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
F1
F2
F3
F4
F5
tk1
tk2
FiguraE6
H1
H2
Vc
5
Vc
4
-
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Ejercicio 17) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E7. Se desea determinar el comportamiento del sistema bajo control.
Se pide:1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control..
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E5
LC
10
VC
20
LT
10
I/P
TT
22
TC
21TC
22
FT
21
TT
20
FT
30
FC
30
I/P
I/PVC
30
VC
10
-
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Ejercicio 18) Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E8. Se desea el
siguiente comportamiento del sistema bajo control. El estanque tk1 debe funcionar
a nivel constante. Elo flujo Fl es manejado por otro proceso. Por cada litro de Fsh
que ingresa a tk1 , deben ingresar 5 litros de Fr. la temperatura de Fsh debe ser
constante. Se sabe que la presin disminuye al conectarse otros consumos al punto
Ps . se sabe que la temperatura de Fsf es muy variable y se sabe que el consumo Fl
es tambin muy variable.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
-
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1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E54 .detectar si existen conflictos en instrumentacin
FT
30
H1
LC10
f1
H2
FT
20
Figura E10
I/P
f13
I/PVC
20
f12
FT
11
VC
10
FT
40
FC
40 I/P
VC
40
LT
40
LC
40
H3
f3
FT
21
I/P
VC
21
f23
FC
21
FC
20
FT
21
f 2
FC
21
I/P VC21
tk3
tk2
tk1
Ejercicio 21) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E10. Se pide:
1 explicar el efecto de la desconexin de cada uno de los transmisores;
efectuar el anlisis desconectndolos de a uno.
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Ejercicio 22) Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E11. Se desea el
siguiente comportamiento del sistema bajo control. Los 3 estanques deben
funcionar a nivel constante. El flujo F3 es manejado por otro proceso. Por cada litro
de F13 que ingresa a tk2 , deben ingresar 5 litros de F23. . se sabe que la fuente de
suministro de F1 es muy variable en su presin. Y se sabe que el consumo F3 es
tambin muy variable.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
Ejercicio 23) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la FiguraE10. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E5
f3
f13
H1f1
f23
f2H2
Figura E11
H1
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4 .detectar si existen conflictos en instrumentacin
Ejercicio 24) En un Proyecto de Control
Automtico Industrial, el cliente desea
disponer de agua caliente usando un
intercambiador vapor - agua de la Figura
E13, la instrumentacin debe considerar
que:
La caldera que suministra el vapor tiene cadas
de su presin cuando se conecta este y otros consumos (caldera chica).
El caudal de agua fra es muy variable.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos eInstrumentacin2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
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Ejercicio 25) Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E14; Se desea
controlar el proceso de modo que ingresen 10 litros de agua tibia por cada litro de
reactivo Q5 y de modo que se mantenga el nivel H constante . Para entibiar el
agua fra se debe controlar el intercambiador de modo que la temperatura del
flujo Q2 sea constante e independiente de la temperatura del agua fra y el caudal
Q1 demandado por otro proceso.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
Figura E14
Q1
H
Agua Tibia
Intercambiadorde calor Vapor -
Agua
Agua
Fra
Vaporr
Q3
Q4 Q2
Q5
-
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Ejercicio 26) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E15. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E54 .detectar si existen conflictos en instrumentacin
PETROLEO
I/P
I/P
LC20
LT20
F1 AGUA PRECALENTADA
QUEMADOR
CONSUMO
I/P
AIRE
TT30
TC30
PT10
PC10
TC30FC40
FT40
FT50
TC30FC50
I/P
FT10
FC10
FiguraE15
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Ejercicio 27) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E16. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E54 .detectar si existen conflictos en instrumentacin5 detectar si hay instrumentacin innecesaria
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Ejercicio 28) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E17. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E54 .detectar si existen conflictos en instrumentacin5 detectar si hay instrumentacin innecesaria
I/P
FC10
I/P
XT00
FC10
TT10
TC10
LT10
LC10 +
XC00
PT00
XC01
Figura E 17
COMBUSTIBLE
ALQUITRAN
Ejercicio 29) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E18. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos
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3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E54 .detectar si existen conflictos en instrumentacin5 detectar si hay instrumentacin innecesaria
Ejercicio 30) Considere el Diagrama de procesos de la figura E19; Se desea
controlar el proceso de modo que ingresen 10 litros de agua tibia por cada litro de
reactivo Q5 y de modo que se mantenga el nivel H constante . Para entibiar el
agua fra se debe controlar el intercambiador de modo que la temperatura del
flujo Q2 sea constante e independiente de la temperatura del agua fra y el caudal
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Q1 demandado por otro proceso. La combustin debe ajustarse con a litros de
aire por cada b litros de gas.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
ESTANQUE PRODUCTO FINAL
AGUA
FRIA X
FIGURA
E19
h0
AGUACALIENTEAIRE
GASREACTOR y
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Ejercicio 31) Considere el Diagrama de procesos de la figura E20; Se desea
controlar el proceso de modo que ingresen 10 litros de f13 por cada litro del
reactivo f23 y de modo que se mantenga el nivel H3 constante. Los niveles H1 y
H2 tambin deben permanecer constantes. Para calentar los estanques tk1 y tk2
se emplean calefactores elctricos de potencia w1 y w2 respectivamente. Se
desea que los estanques tk1 estn a las temperaturas T1 y T2 respectivamente.
El producto f3 es desmandado por otro proceso.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
Figura E20
H 3
H 1H 2
f23
f3
f13
f1 f2
w1 w2
tk1 tk2
tk3
-
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Ejercicio 32) Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E21. Se trata de
un calentador a presin para proveer agua caliente para el estanque tk3 y vapor
saturado para calentar el reactivo del estanque tk2. El calor requerido para
calentar el calentador a presin tk1 proviene de un calefactor elctrico de
potencia W variable mediante un controlador de potencia.
En el estanque tk3 debe mezclarse el agua caliente con el reactivo en una razn
dada de 1 litro de agua caliente por litro de reactivo. el tamao de los estanques
guarda relacin con la proporcin de mezcla.
Un sistema de control propio, no representado en la Figura mantiene constante el
nivel del estanque tk2.
Se desea disear los lazos de control necesarios para obtener que H1 y H2, sean
constantes. Tambin para que que las temperatura T1 y T2 sean constantes e igual
a aun valor preestablecido diferente para cada una.. El flujo Fd de demanda es
manejado por otro proceso.
Se pide:1 Desarrollar la instrumentacin necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentacin2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin del punto 1
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Ejercicio 33) Considere el Diagrama de procesos de la figura E22; Se desea
controlar el proceso de modo que: Los estanques TK1, TK2 y TK3, deben
funcionar a nivel constante. El flujo L1 no puede ser controlado, debe ser
procesado segn aparezca. El flujo W1 debe seguir a L1 de modo que W1/L1 = a.
El flujo W3 debe seguir a W2 de modo que W3/W2 = b. El flujo z1 debe seguir a
z2 de modo que z1/z2 = c. Se debe emplear el flujo de vapor V1 para lograr que
la temperatura T1 del estanque TK1 sea constante a pesar del efecto de los
flujos L1-W1.Se debe emplear el flujo de agua caliente F1 para lograr que la
temperatura T3 del estanque TK3 sea constante a pesar del efecto de los flujos
Z1 Z2.
Se pide:1 Desarrollar la
instrumentacinnecesaria en unDiagrama de Procesos eInstrumentacin2 dibujar los Diagramasde bloquescorrespondientes a cadauno de los lazos de
control involucrados enla solucin.
3 construir la tabla deinstrumentos delDiagrama de Procesos eInstrumentacin delpunto 1
Figura E22
TK1
TK3
L1 W 1
W 2 W 3V 1
Z 1 Z 2
Z 3
F 1
TK2
-
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Ejercicio 34) Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentacin de la Figura
E23. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas debloques correspondientes a cada uno de ellos3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos eInstrumentacin de Figura E54 .detectar si existen conflictos en instrumentacin5 detectar si hay instrumentacin innecesaria
Figura E23
i / P FC
5 0
FT
5 0
h50 TK50
LT
5 1
LC
5 1
h51 TK51
1 / PQ52
Q51
MANUAL
PT
5 2
FC
5 21 / P
B50
TK52
Q53
Q50
VC
5 2
VC
5 1