Unidad 1

Universidad Tecnológica de Ciudad Juárez
Departamento de Mecatrónica
Tetramestre: Enero – Abril 2013

Titular: M.I Velia Chávez Sáenz
Correo: velia_chavez@utcj.edu.mx

Sistemas de Control Automático
UNIDAD I. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

i. Fundamentos de los sistemas de control
ii. Tipos de Control
a) Sistema de lazo abierto
b) Sistema de lazo cerrado

Fundamentos de Control
CONTROL: Métodos para forzar ciertas variables de un proceso o sistema a
tomar valores determinados.
OBJETIVOS
Estabilidad

Seguimiento de referencias

Rechazo de perturbaciones

Sist. Control Automático, M.I Velia Chávez Sáenz 2

 Sistema de control: conjunto de dispositivos de diversa naturaleza
(mecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos, hidráulicos) cuya finalidad
es controlar el funcionamiento de una máquina o de un proceso.


 Componentes básicos:
1. Objetivos de control
2. Componentes de sistema de control
3. Resultados o salidas

Objetivos Sistema de control Resultados


 Sistema: Combinación de elementos que actúan conjuntamente y
cumplen un determinado objetivo. (ej. vehículo, sistema se
calefacción).

 Planta: Sistema que se desea controlar.

 Proceso: Cualquier operación que deba controlarse (ej. Proceso
químico, proceso biológico ).


 Variable: Factor o característica que puede variar.

 Variable controlada: es la cantidad o condición que se mide y
controla.

 Variable manipulada: es la cantidad o condición modificada
por el controlador a fin de afectar la variable controlada.
Normalmente la variable controlada es la salida del sistema.


 Referencia: Evidentemente se trata de una señal o magnitud física que se
desea para el sistema controlado.

 Un sistema bien controlado seguirá con fidelidad la consigna de la
referencia. Un sistema mal controlado no será capaz de alcanzar la
referencia o la seguirá con un error considerable.


 Perturbación o Incertudumbre: es una señal que tiende a
afectar el valor de la salida de un sistema.
 Si la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina
interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del
sistema y constituye una entrada.

 Error: es la variación que existe entre la referencia deseada
y la respuesta real del sistema, también es un elemento de
interés en los sistemas controlados dado que aunque exista,
se puede establecer un umbral para el funcionamiento.


 El elemento central del sistema de control es lo que denomina controlador.
A veces se le llama compensador o regulador.

 Este elemento es el encargado de actuar en la planta en función de la
referencia o del error, para conseguir que dicha planta se comporte de
acuerdo con las especificaciones de diseño.

 Cuando un controlador consigue su objetivo a pesar de las incertidumbres
de la planta, se dice que el controlador es robusto.


Ejercicio 1
 Diseñar un ejemplo de un sistema de control y determinar claramente lo
siguiente

1. Definir funcionamiento
2. Cual es la Planta
3. Cual es la variable controlada
4. Cual es la variable manipulada
5. Referencia
6. Perturbación o Incertidumbre
7. Umbral de Error
8. Que controlador podría utilizarse


Tipos de Control
 Sistema de lazo abierto: es aquel cuyo controlador actúa solo en función de
la referencia deseada para la respuesta del sistema.

 Este tipo de control se puede emplear si las perturbaciones sobre el sistema
son pequeñas y se tiene un buen modelo de planta.

 También se utiliza este tipo de control si la señal de salida del sistema es
imposible o muy difícil de medir.


Tipos de Control

 En un sistema de lazo abierto la entrada se elige en base a la experiencia
que se tiene con dichos sistemas para producir el valor de salida requerido.
Esta salida, sin embargo no se ve modificada por el cambio de las
condiciones de operación externas.

 Los sistemas que operan mediante mecanismos de temporización
prestablecidos son sistemas en lazo abierto.


Tipos de Control
 Sistema de lazo cerrado: la variable controlada se mide y se utiliza para
modificar la actuación sobre la planta. Evidentemente, para realizar esta
medida se necesita un sensor.
 Sensor: dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y
transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica que seamos capaces de cuantificar
y manipular.

 Con un sistema de lazo cerrado se tiene una señal de retroalimentación
hacia la entrada desde la salida, la cual se utiliza para modificar la entrada
de modo que la salida se mantenga constante a pesar de los cambios en las
condiciones de operación.


Tipos de Control
 La forma más habitual de “cerrar el lazo” en los sistemas de control es
calcular el error entre la referencia y la respuesta actual del sistema. El
controlador actúa entonces en función del error.

 El concepto de realimentación (feedback) es uno de los principios básicos
del control automático.


Lazo Abierto VS Lazo Cerrado
Sistema de control en Lazo Abierto Sistema de control en Lazo Cerrado

 Bastante sencillos.  Capaces de igualar los valores reales a
los requeridos.
 De bajo costo.  Un retraso propicia que la acción
correctiva llegue tarde y se obtienen
 Buena Confiabilidad. oscilaciones en la entrada e
inestabilidad.
 Complicados.
 Costosos.
 Probabilidad de descomponerse por la
gran cantidad de componentes que
tiene.


Ejercicio 2
 Identifique las salidas globales y sugiera el tipo de sistema de control que se
puede utilizar con:

a) Un tostador de pan automático
b) Una lavadora de ropa automática
c) Un sistema de calefacción central doméstico.


Elementos básicos de un sistema en lazo abierto
 Un sistema en lazo abierto consiste en algunos subsistemas básicos arreglados.

Controlador

Entrada Salida
Elemento de Elemento de
Proceso
Señal que se control corrección Variable
espera produzca controlada
la salida
requerida

 Estos elementos pueden ser distintos, equipos separados, pero todas las
funciones que cumple cada subsistema se debe preservar.


Elementos básicos de un sistema en lazo abierto
 La entrada global al sistema es una señal, que, basada en experiencias
anteriores, es probable que conduzca a la salida requerida.

 Los subsistemas son:

1. Elemento de control: Este elemento determina que acción se va a tomar dada una
entrada al sistema de control.
2. Elemento de corrección: Este elemento responde a la entrada que viene del elemento de
control e inicia la acción para producir el cambio en la variable controlada al valor
requerido.
3. Proceso: Es el sistema en el que se va a controlar la variable.


Ejemplo de un sistema en lazo abierto
 Un ejemplo es un calefactor eléctrico utilizado para calentar una habitación. Con
dicho sistema se tiene:
1. Variable controlada: Temperatura de la habitación.
2. Elemento de control: Una persona que toma las decisiones basadas en la experiencia de las
temperaturas producidas mediante la conmutación del elemento calefactor.
3. Elemento de corrección: El interruptor y el elemento calefactor.
4. Proceso: La habitación.

Elemento de Elemento de
control corrección

Calentamiento
de la habitación


Ejercicio 3
 Identifique los subsistemas en un sistema en lazo abierto de un motor de
velocidad controlada.

1. Variable controlada:
2. Elemento de control:
3. Elemento de corrección:
4. Proceso:


Elementos básicos de un sistema en lazo cerrado
 Un sistema en lazo cerrado consiste en algunos subsistemas básicos
ordenados.
Controlador

Elemento de
comparación
Elemento de Elemento de Elemento de
+
Entrada, - control corrección proceso Salida,
Señal variable
valor de de error
referencia controlada

Elemento de
Realimentación medición


Elementos básicos de un sistema en lazo cerrado
 Estos elementos pueden no ser partes distintas o equipos separados, pero en todas las
funciones de los subsistemas estarán presentes.

 La entrada global al sistema de control es el valor requerido de la variable, y la salida es el valor
real de la variable.

1. Elemento de comparación: Este elemento compara el valor requerido o de referencia de la
variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la salida, y produce una
señal de error la cual indica la diferencia del valor obtenido a la salida y el valor requerido.
Señal de error = señal del valor de referencia – valor medido

2. Elemento de control: Este elemento decide qué acción tomar cuando se recibe una señal de
error. A menudo se utiliza el termino controlador para un elemento que incorpora el elemento
de control y la unidad de corrección.


3. Elemento de corrección: Este se utiliza para producir un cambio en el
proceso al eliminar el error, y con frecuencia se denomina actuador.

4. Elemento de proceso: es el sistema donde se va a controlar la variable.

5. Elemento de medición: Este elemento produce una señal relacionada con
la condición de la variable controlada, y proporciona la señal de
realimentación al elemento de comparación para determinar si hay o no
hay error.


Realimentación en el lazo cerrado
 Una característica necesaria de un sistema de control en lazo cerrado es el lazo de
realimentación.

 Este es el medio a través del cual una señal relacionada con la variable real obtenida se
realimenta para compararse con la señal de referencia.

 Se dice que se tiene realimentación negativa cuando la señal realimentada se sustrae del valor
de referencia, esto es:
Señal de error = valor de referencia – señal de realimentación
 La realimentación negativa es necesaria para que logre el control.

 La realimentación positiva se presenta cuando la señal realimentada se adiciona al valor de
referencia, esto es:
Señal de error = valor de referencia + señal de realimentación


Ejemplo de un sistema calefactor en lazo cerrado
(con un termómetro integrado)
 Tenemos un sistema en el que se controla la temperatura de una habitación
mediante una persona que enciende y apaga el elemento calefactor de acuerdo
a si la temperatura de la habitación dada por un termómetro tiene o no el valor
requerido.

 Los elementos de control de este sistema son:
1. Variable controlada: temperatura de la habitación.
2. Valor de referencia: temperatura requerida en la habitación.
3. Elemento de comparación: persona que compara el valor medido y la temperatura requerida.
4. Señal de error: diferencia entre la temperatura requerida y la medida.
5. Elemento de control: la persona.
6. Elemento de corrección: mano que opera el encendido del elemento calefactor.
7. Proceso: la habitación.
8. Dispositivo de medición: termómetro
9. Realimentación: negativa

Ejercicio 4
 El tostador doméstico es un sistema en lazo abierto (ejercicio 2), sugiera los
medios que permiten hacerlo un sistema de control en lazo cerrado.

 Explique a detalle la manera en que lo haría.
 Elabore un diagrama como el de la diapositiva 21 pero en base a la elaboración de este
ejercicio.


Ejercicio 5 (Tarea)
 La figura muestra un ejemplo de un sistema de control sencillo utilizado para mantener
constante el nivel de agua en un tanque. El valor de referencia es la posición inicial del brazo
(flotador), de modo que cierra el suministro de agua en el nivel requerido.
 Cuando el agua sale del tanque, el flotador baja con el nivel de agua. Esto propicia que el brazo
del flotador se mueva y permita que el agua entre al tanque.
 Este flujo continua hasta que el flotador sube a una altura tal, que haya movido el brazo del
flotador y cerrado el suministro de agua.
 Este es un sistema de control en lazo cerrado, ahora determine cuales son sus elementos:
1. Variable controlada
2. Valor de referencia
3. Elemento de comparación
4. Señal de error
5. Elemento de control
6. Elemento de corrección
7. Proceso
8. Dispositivo de medición
9. Realimentación


Ejercicio 6 (Tarea)
 En la figura se muestra un sistema de control automático sencillo para la velocidad angular de un eje. Se utiliza un
potenciómetro para fijar el valor de referencia, es decir, qué el voltaje se aplica al amplificador diferencial como valor
de referencia para la velocidad angular requerida.
 El amplificador diferencial se usa tanto para comparar como para amplificar la diferencia entre los valores de
referencia y realimentación, esto es, amplifica la señal de error.
 Después, la señal de error amplificada se aplica al motor que, a su vez, ajusta la velocidad del eje giratorio.
 La velocidad angular del eje se mide con un tacogenerador, conectado al eje por medio de un par de engranes
cónicos. La señal que viene del tacogenerador se realimenta al amplificador diferencial.
4. Señal de error
7. Proceso
9. Realimentación


Ejercicio 7 (Tarea)
 En la vida diaria existen muchos sistemas de control sencillos. El acto de levantar una taza de café de la mesa
requiere un sistema de control con realimentación.
 La mano que levanta la taza se debe mover al lugar correcto, sorteando los obstáculos en el camino, y debe
quedar en la posición adecuada para que los dedos puedan tomar la oreja de la taza justo en la forma
apropiada y levantarla.
 Para controlar la mano se llevan a cabo dos tareas de realimentación: visión y tacto (como se muestra en la
figura).
4. Señal de error
7. Proceso
9. Realimentación


Ejercicio 8 (Tarea)
 Un trabajador mantiene el nivel de liquido en un contenedor a un nivel constante.
 Para esto se observa el nivel a través de una mirilla de vidrio en una de las paredes del
tanque, y ajusta la cantidad de liquido que sale del tanque con la apertura o cierre de la
válvula (como se muestra en la figura).
 Para dicho sistema de control ¿cuales son?:
4. Señal de error
7. Proceso


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