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Capitulo 1 introduccion
 

Capitulo 1 introduccion

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    Capitulo 1 introduccion Capitulo 1 introduccion Presentation Transcript

    • Red LaBioProC Capítulo 1: Introducción Ingeniería de Control – Control de Procesos Ejemplos Objetivos Conceptos: retroalimentación Open-loop & closed-loop Diseño de la estrategia Historia Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 1 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC TEORIA DE CONTROL I ESTABILIDAD Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 2 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Ingeniería de Control / Control Engineering Control de Procesos / Process Control Automatización / Automation Un Sistema de Control esta compuesto por la interconección de sub-sistemas / componentes (proceso, controlador, compensador, actuador, transductor, sensor, ...) que juntos se encargan de que el comportamiento del sistema sea el deseado, esto es una salida de proceso controlada/deseada. Cada uno de estos subsistemas de componentes representan una relación “entrada- salida” (input-output; causa-efecto). La salida de un subsistema puede ser la entrada para otro subsistema. Input Proceso Output En general un sistema de control está formado por: - una (o más) entradas independientes (variables manipuladas) - una (o más) salidas resultantes (variables controladas). Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 3 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 4 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC S p i nd l e H ea d s l i d e r R o t a ti o n of a r m Ar m T rac k a D is k T r a ck b A c t u a to r m o to r D esi red A c tual  E rro r Read C o ntro l Actuator hea d hea d d e vi ce motor arm po si tio n p o si tion  S e nso r Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 5 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Adjustable wing Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 6 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 7 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 8 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 9 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC • Instrumentación: – // 0,2-1 bar (3-15 psi) – /// 4-20 mA (también ----) • Primera Letra ID: – A: análisis – F: flow (Flujo) – L: level (nivel) – P: pressure (presión) – T: temperatura • Siguiente Letra ID: – C: controller – I: indicator – R: recorder – T: transducer (sensor) – V: valve (válvula) – Y: Converter (Convertidor) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 10 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 11 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 12 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC • Robots usados para el acceso a sitios dificiles (ambientes contaminados, aplicaciones espaciales, intervenciones quirúrgicas, …). • Robots industriales para automatizar líneas de producción, a fin de incrementar la productividad y la calidad. Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 13 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC • Ej. diabetes TAMBIEN: • temperatura corporal • latido cardiáco (adrenalina) • presión sanguínea, …... Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 14 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 15 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC La ingeniería de Control NO ES específica para una determinada disciplina de ingeniería! • Al contrario, la Ingeniería de Control es clave en la electrónica, industria química, instrumentación, telecomunicaciones, tecnología de computadores, ciencia de los materiales, electrotecnia, aeronáutica/navegación espacial/navegación marítima, … • Hoy por hoy incluso en autos, hogares, … Automatic Control is a “miracle” technology that is used to improve the performance of a tremendous range of technological systems, from the steam engine to the space station. Today, feedback control is used by everyone: in radios (amplifiers), CD players (speed control, laser tracking), automobiles (servo-steering, cruise-control, engines, suspensions, ABS), flight control (autopilots), spacecraft (guidance), machine tools, robots, power plants, chemical process industry, materials processing. Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 16 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Comportamiento DINAMICO • Movimiento de un ascensor desde pisos superiores hasta el primer piso • La salida de un sistema dinámico en un determinado momento no es solo función de la entrada al sistema en ese momento sino también de la situación en el pasado (memoria del sistema) • Ejemplo: posición del acelerador velocidad del carro Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 17 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Objetivos de un Sistema de Control • Setpoint following / Seguimiento del SetPoint • Disturbance rejection / Rechazo a Perturbaciones • Remote control / Control remoto o a distancia Objetivos del Curso • Aprendizaje de técnicas a fin de analizar el comportamiento dinámico de un sistema, tanto cualitativa como cuantitativamente. (parte 1) • Aprendizaje de técnicas a fin de estar en capacidad de efectuar el diseño de sistemas de control con características deseadas/especificaciones (parte 2) Especificaciones • Un comportamiento absolutamente estable • Una respuesta transiente deseada (transient response) • Un error permanente aceptable (steady-state error) • Una robustez conveniente (parameter sensitivity) • Una relación precio/calidad interesante (cost/performance) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 18 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC OPEN LOOP vs CLOSED LOOP (1) • Un sistema de control en Open-Loop utiliza un dispositivo actuador para controlar el proceso directamente sin usar feedback. Battery Speed Turntable Speed setting dc amplifier dc motor (a) Control device Actua tor P rocess Desired dc Actual speed Amplifier Turntable motor speed (voltage) (b) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 19 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC OPEN LOOP vs CLOSED LOOP (2) • En closed-loop la salida se retroalimenta (feedback) y se compara con el Setpoint ( reference, command) • Hay tanto retroalimentación negativa como positiva (casi siempre negativa) Battery Speed Turntabl e Speed set ting  dc  amplifier dc motor  Tachometer (a) Control device Act uator Process Desired  Error dc Actual sp eed  Amplifi er motor Turntable speed (voltage)  Measured speed (voltage) Sensor Tachometer (b) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 20 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC FEEDBACK y PERTURBACIONES Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 21 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC ESTRATEGIA DE DISEÑO (Top-Down) 1. Defina el sistema físico y los objetivos 2. Elabore un Diagrama de Bloques funcional 3. Determine Variables de Control y Especificaciones 4. Especifique actuadores, sensores, convertidores, ... 5. Identifique un Modelo de cada subsistema 6. Diseñe el Controlador y sus parámetros 7. Pruebe el comportamiento frente a especificaciones MALO!! OK!! Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 22 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC HISTORIA (1) • Grecia 300 BC: reloj de agua de Ktesibios (regulador de nivel!) • Cornelis Drebbel (Holanda 1572-1633): control de temperatura • James Watt (Inglaterra, 1769): control de velocidad máquina de vapor; preámbulo a la 1ra revolución industrial (mecanización) • Antes de 1868: intuición y creatividad; “trial-and-error ”; problemas con comportamiento estable de controladores en retroalimentación • James Maxwell (1868): primeros (matemáticos) conceptos de teoría de control para estabilidad de regulación de velocidad –máquina de vapor • Edward Routh (1874): origen del criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz (1905) • Nicholas Minorsky (Rusland): principio del control PI (“bread-and-butter” del control industrial contemporáneo); aplicaciones en estabilidad de conducción de naves (alrededor de 1920) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 23 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC RELOJ DE AGUA DE KTESIBIOS - DESCRIPCION - El peluquero Ktesibios!!!!! El flotador V2 es lineal con el tiempo y con la escala 12 Escala con Suministro de agua distribucion Aguja de hora Por lo visto no era constante! 6 El flotador V2 aumenta lineal H V1 con el tiempo si el suministro 1 de agua Q2 (l/s) es constante!! Debe mantenerse Q2 La corriente de agua en Constante!? Q2 El cuarto de ayuda H De ahí que la condición Dentro del cual flota un De equilibrio debe ser: Flotador V1 V2 Q1 = Q 2 Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 24 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC RELOJ DE KTESIBIOS - TRABAJO DE ESTABILIZACION - W es la altura deseada X es la altura real Si el suministro baja entonces baja el Flotador V1. El nivel disminuye hasta X Suministro Asi que hay que abrir el suministro tal que Q1 aumente otra vez y la altura real X Vaya a W. H Q1 A medida que crece el suministro, el flotador sube V1 y X es mayor que W, entonces W X se cierra el suministro hasta que X vaya a W. 2. Organo de corrección y regulación: 1. Sistema de medición: el flotador V1 mide la altura regulada X. El flotador V1 controla el suministro Q1. Q2 Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 25 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Reloj de agua de Ktesibios Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 26 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC EL CONTROL DE NIVEL DE HERON a b La válvula K deja pasar agua al tanque B. El objeto es mantener W constante, tal que con la M disminución del agua la presión también es cte. A L K La idea era mantener el caudal Q1 igual al caudal Q2. El suministro V tras la Válvula es igual al desague Q2. B Q1 Los factores para que la altura X pueda cambiar son •El nivel del tanque de almacenamiento A. w x •El desague Q2 El control de nivel trabaja asi: 1. Tenemos un aumento del desague Q2 2. Luego baja la altura hasta el valor X 3. El flotador V mide la disminución de la altura Desague 4. El brazo ao de la palanca baja, asi que el brazo ob sube Q2 5. A causa de esto la válvula K otra vez abre y Q1 aumenta 6. X aumenta otra vez hasta regresar al valor W. Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 27 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Flyball governor (James Watt - 1769) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 28 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC HISTORIA (2) • Antes de WOII: Bode, Nyquist, Black (USA, Bell Telephone Labs); Dominio- frecuencial planteamineto del diseño de amplificadores (feedback amplifier; OpAmp) • WOII: desarrollo intensivo – teoría y práctica – en automatización (métodos de dominio en frecuencia; Bode, Nyquist); aplicaciones militares: piloto automático para aeronaves, sistemas de posicionamiento de cañones y toda clase de proyectiles, antenas de radar, sistemas de comunicación, etc. • Después (años 1950) vienen aplicaciones “civiles” (servosistemas, control de procesos, comunicaciones, mecanización, robotización…); “la ingeniería de control “ nace como una disciplina científica • Walter Evans (USA, 1948, indiustria aeronáutica): Método de Root Locus • MIT, 1952: concepto de máquinas de NC (Numerical Control) • USA, 1960: primer robot industrial (Unimate) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 29 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC HISTORIA (3) • Años 1960 a 1970: intensos desarrollos en el dominio del tiempo métodos de impulso en la industria aeronáutica: dominio en espacio de estado/state-space (Kalman),control no-lineal (Lyapunov, estudiante de Chebyshev - St. Petersburg 1892),control optimal (Pontryagin/SU, Bellman/USA); poca respuesta en la industria • Años 1970 a 1980: sistemas de control adaptivos (Åström, SE) aplicados con éxito en la industria como PID “auto-tuners” • Años 1980 a 1990: estrategias de control de predicción (Richalet/FR, Cutler/USA, De Keyser/BE, Clarke/UK); momentaneamente en expansión por las aplicaciones industriales • Años 1990: inteligencia artificial (fuzzy control, neural control, …): fuzzy control (Japan) con uso en „productos para consumo‟ (lavadoras, cámaras, …) y en control de procesos (industria del cemento, química, …) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 30 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC ICT: Information & Communication Technology • Años 1980 a 1990: uso intensivo en la industria de técnicas digitales para la implementación de controladores en software: micro-computers y microcontrollers (mecatrónica), DDC (Direct Digital Control en control de procesos), redes industriales para comunicaciones, sistemas de control para supervisión, … • El „controller‟ (regulador,controlador, compensador), originalmente neumático, luego electrónico, hasta implementado como un „instrumento virtual‟: como software en un computador.. • En la actualidad el uso del computador en técnicas de control: – off-line: durante la fase de diseño (CACSD: Computer Assisted Control Systems Design) con software de diseño duro (Ej. MatLab® en este curso) – on-line: durante el trabajo normal, como controlador (software) digital (sistemas de control digital) Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 31 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Redescubra el Pasado • Dibuje esquema de bloques para control de velocidad de crucero (regulación de velocidad de su auto) • Dibuje esquema de bloques para el funcionamiento del radiador-termostato de su cuarto. • Una resistencia variable (potenciómetro) da una tensión proporcional a la posición del cursor (principio del divisor de tensión). El potenciómetro es de mucho uso, por ej. Para la regulación del volumen y otros controles en aparatos de audio. También se usa como transmisor para definir el ángulo de posición de un eje que gira. El modelo de este „sensor de desplazamiento‟ se da en el esquema de i (rad) Vo (volt) K bloques adjunto. Calcule K si se requieren 10 rotaciones del eje para llevar el cursor de A hasta C. Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 32 Biotecnológicos
    • Red LaBioProC Bibliografía • Nise. Control Systems Engineering (3rd edition). John Wiley & Sons, Inc. (2000), p. 1-36 • Dorf and Bishop. Modern Control Systems (8th edition). Addison-Wesley-Longman, Inc. (1998), p. 1-31 • Marlin. Process Control. McGraw-Hill, Inc. (1995), p. 1-46 Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H. con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 33 Biotecnológicos