CLASS1 - INTRODUCCION A LA Ingenieria de Control.pptx

clase sobre introducción a la ingenieria de control en la UdelSinu EBZ

1. INGENIERIA DE CONTROL Ingeniería Eléctrica Facultad de ciencia e Ingenieria Universidad del Sinú – Elías Bechara Zainúm

2. Agenda AGENDA

3. Contenido programático. Justificación de la asignatura. En la actualidad los sistemas de control han asumido un papel importante en el desarrollo y avance de la civilización moderna y la tecnología , con la implicación que conlleva el desarrollo y la aplicación de los mismos en el campo de la Ingeniería Eléctrica. Por tal motivo, imparte esta asignatura en donde se ofrece al estudiante las herramientas y los conocimientos básicos necesarios para formular, gestionar y evaluar proyectos de ingeniería de control .

4. Contenido programático. Justificación de la asignatura.

5. Contenido programático. Objetivos de la asignatura Alcanzar la comprensión y el dominio de los métodos y técnicas actuales para modelar, analizar, planificar y desarrollar controladores, bajo criterios de estabilidad y comportamiento, en sistemas lineales. Incentivar el uso de diferentes herramientas de software, como mecanismo de simulación de los diferentes sistemas dinámicos y sus controladores. Servir como materia de apoyo, para el fortalecimiento de conceptos y aplicaciones en las demás áreas relacionadas. Complementar el desarrollo integral del estudiante mediante el desarrollo de proyectos interdisciplinarios aplicados en la ingeniería. Fomentar el uso de diferentes herramientas de software y hardware, para el desarrollo de sistemas de control.

6. Contenido programático. Descripción de Nucleo y Subnucleos NUCLEO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL. (6 hs) SUBNUCLEOS Introducción. Historia de la ingeniería de control. Terminología y conceptos principales. Concepto de precisión, exactitud, rapidez, estabilidad y robustez Sistemas Variantes en el Tiempo vs sistemas invariantes en el tiempo. Sistemas en tiempo continuo vs sistemas en tiempo discreto Muestreo y retención en sistemas de control. Sistemas en lazo abierto y sistemas en lazo cerrado. Ejemplo de Sistemas de Control.

7. Contenido programático. Descripción de Nucleo y Subnucleos NUCLEO 2. MODELADO MATEMÁTICO DE SISTEMAS FÍSICOS. (9 hs ) SUBNUCLEOS 2.1. Sistemas eléctricos. 2.2. Sistemas mecánicos de traslación y rotación. 2.3. Sistemas hidráulicos. 2.4. Sistemas neumáticos. 2.5. Función de transferencia y analogías.

8. Contenido programático. Descripción de Nucleo y Subnucleos NUCLEO 3. ANÁLISIS DE LA RESPUESTA EN EL TIEMPO Y DEL ERROR. (9 hs ) SUBNUCLEOS 3.1. Definiciones: Respuesta transitoria, respuesta estacionaria, señales de entrada (impulso unitario, escalón unitario, rampa unitaria) 3.2. Sistema de primer orden. 3.3. Sistema de segundo orden. 3.4. Sistemas de orden superior. 3.5. Errores estáticos

9. Contenido programático. Descripción de Nucleo y Subnucleos NUCLEO 4. ESTABILIDAD (9 hs ) SUBNUCLEOS 4.1. Concepto de estabilidad 4.2. Criterio Routh-Hurwitz 4.3. Estabilidad relativa y estabilidad absoluta 4.4. Concepto de Lugar Geométrico de las Raíces (LGR) 4.5. Método de Lugar Geométrico de las Raíces.

10. Contenido programático. Descripción de Nucleo y Subnucleos NUCLEO 5. DISEÑO DE CONTROLADORES. (15 hs ) SUBNUCLEOS 5.1. Modos de control: ON-OFF, ON-OFF con brecha diferencial. 5.2. Diseño de compensadores usando LGR. 5.3. Diseño de Controladores P, PD, PI, PID 5.4. Criterios de sintonía del controlador PID.

11. Metodología, normas y reglas del curso Porcentajes de evaluación. Primer corte (35%) Segundo corte (35%) Tercer corte (30%) Actividad Porcentaje (100%) Actividad Porcentaje (100%) Actividad Porcentaje (100%) ejercicios, quiz, trabajos autónomo, investigación, tareas 5% ejercicios, quiz, trabajos autónomo, investigación, tareas 5% ejercicios, quiz, trabajos autónomo, investigación, tareas 5% Talleres y practicas de laboratorios 10% Talleres y practicas de laboratorios 10% Talleres y practicas de laboratorios 10% parcial 20% parcial 20% examen 15%

12. Metodología, normas y reglas del curso Normas y reglas del curso Reglamento estudiantil

13. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) El uso de la ciencia y la tecnología para resolver los problemas que enfrenta la sociedad o para proporcionar productos que deseos de la sociedad Es la acción o el efecto de poder decidir sobre el desarrollo de un proceso o sistema. También se puede entender como la forma de manipular ciertas variables para conseguir que ellas u otras variables actúen en la forma deseada

14. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Definición de Ingeniería La profesión en la que se aplica el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales adquiridas mediante el estudio, la experiencia y la práctica con el juicio para desarrollar formas de utilizar, económicamente, los materiales y las fuerzas de la naturaleza para el beneficio de la humanidad . “ Accreditation Board for Engineering and Technology – ABET”

15. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Definición de Ingeniería de Control (IdC) Las ciencias naturales (Básicas) se concentran en observar, analizar y explicar los hechos, la ingeniería debe regular los hechos en dirección que se juzgue útil. Los científicos tratan de entender cómo funciona el mundo natural. El resultado de su trabajo es la expansión del conocimiento. Producto final menudo publicación de un trabajo de investigación Ingenieros resolver problemas; el resultado de su trabajo es el desarrollo y la producción (o mejora) de un producto o proceso

16. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Fases en un fenómeno natural, área o actividad, con cambios de estado según condiciones dadas. Ejemplo: Procesos eléctricos, mecánicos, manufactura, alimentos, energía, hidrocarburos, transporte, comunicaciones, entre otros. Proceso: Fabrica de Manufactura Planta: Conjunto de equipos o elementos de maquinas que actúan con el propósito de realizar una operación especifica. Ejemplo: Plantas eléctricas, de Gas, Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de fabricación, entre otros. Planta de Hidrocarburos

17. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Sistema: Conjunto de elementos y reglas que organizados entre si, contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los definen, que pueden ser constantes ( parámetros del sistema ) y cambiantes en el tiempo ( variables del sistema ) las cuales permiten determinar su comportamiento. SISTEMA Entrada Salida Elementos y Reglas Parámetros del Sistema Variables del Sistema Control: Es una estrategia que verifica lo que ocurre ( realidad ) con respecto a lo que debería ocurrir ( objetivo ) y de no existir concordancia se toman acciones para corregir la diferencia. CONTROL Objetivo Acción Realidad

18. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Sistema de Control: Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las condiciones deseadas. Mide el Nivel Tanque Abre Válvula Salida de Fluido Regula el Nivel Acelerador Velocidad Real Velocidad Deseada Medidor Vehículo Conductor Acción Control de Nivel en un Tanque Control de Velocidad en un Vehículo

19. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Definición de Ingeniería de Control (IdC) Se considera a la ingeniería de control como la rama de la ingeniería que tiene como propósito desarrollar métodos generales para la regulación de sistemas o procesos de acuerdo a condiciones establecidas o requeridas. Es un enfoque interdisciplinario para el control de sistemas, procesos y dispositivos. Combina áreas como eléctrica, electrónica, mecánica, química, ingeniería de procesos, teoría matemática entre otras.

20. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Sinopsis histórica de la IdC Las primeras aplicaciones se remontan a los mecanismos reguladores con flotador en Grecia. Flotador con válvula Flotador con apuntador El reloj de Ktesibius fue construido alrededor de 250 BC . Es considerado el primer sistema de control automático de la historia.

21. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Sinopsis histórica de la IdC Herón de Alejandría (100 d. C.) publicó un libro denominado Pneumática en donde se describen varios mecanismos de nivel de agua con reguladores de flotador. Medidor de tiempo La Fuente mágica de Herón de Alejandría

22. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Europa Época Moderna El primer control realimentado Cornelis Drebbel Holandés (1572-1634) construyó cerca de 1618 una incubadora con una realimentación explícita para regular la temperatura. Trabajo hecho en Inglaterra. Sin embargo el trabajo más significativo de Drebbel fue el primer submarino útil en 1620, donde también utilizó sistemas realimentados.

23. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Europa Época Moderna Denis Papin Francés (1647-1712) en 1681 , inventó el primer regulador de presión para calderas de vapor. Regulador automático Máquina generadora de vapor

24. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Revolución Industrial (Origen de la ingeniería de Control) Sin embargo el primer trabajo significativo en control con realimentación automática fue el regulador centrífugo de James Watt , desarrollado en 1769 ( Fecha de Origen de la IdC ) Motor Carga Engranes Combustible Cierra Abre Aceite a presión Válvula de control Esquema de Regulador de velocidad moderno

25. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Mientras que Rusia reclama como el primer sistema de control, el regulador de nivel de agua de flotador inventado por I. Polzunov (1729-1766) en 1765 . Modelo a escala del motor de vapor de Polzunov

26. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) …hasta finales del siglo XIX el control automático se caracterizó por ser eminentemente intuitivo. El deseo de mejorar las respuestas transitorias y la exactitud de los sistemas de control, obligó a desarrollar la teoría de control : J.C. Maxwell (1831-1879), consideró una teoría matemática relacionada con la teoría de control usando el modelo de una ecuación diferencial 1868 : Sus Aportaciones: Concepto de estabilidad Modelos matemáticos simples Importancia de la acción integral Linealización Estabilidad como problema algebraico Criterios de estabilidad para sistemas de primero, segundo y tercer orden.

27. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) I.A. Vyshnegradskii formuló (1876), una teoría matemática de los reguladores de manera independiente a Maxwell, con posible influencia europea . Sus Aportaciones: Concepto de estabilidad Análisis matemáticos más sofisticados que Maxwell. Diagramas de estabilidad. Linealización Distinción de configuraciones de polos. Otras aportaciones relevantes: Alexander M. Lyapunov (1857-1918) Conceptos de estabilidad Primer (lineal) Y Segundo método de Lyapunov (encontrar estabilidad asintótica sin usar una solución explícita).

28. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Henry Ford en 1913 Mecanizó el ensamblaje de automóviles . Bode en 1927 Analizó los primero amplificadores realimentados.

29. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Minorsky en 1922 Sistemas de dirección en barcos con realimentación . Ecuaciones diferenciales. Hazen Servomecanismos, sistemas de posición, seguimiento de trayectorias. Andronov Análisis de dinámicas no lineales. Bases del control moderno en Rusia. Sistemas telefónicos: Un impulso significativo en sistemas de control. Nyquist en 1932 Método simple para determinar la estabilidad de lazo cerrado por medio de excitación seniodal permanete . Bode en la década de 1940 Método de respuesta en frecuencia más práctico que el de Nyquist. Amplificadores electrónicos con retroalimentación en Bell Telephone Black en la década de 1940 Método de respuesta en frecuencia, realimentación de amplificadores.

30. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Evans final década de 40 principio de 50 Método del Lugar de las raíces Los métodos de respuesta en frecuencia y lugar de las raíces son la base del control clásico. Durante esas fechas los científico rusos se centraron en la formulación del dominio del tiempo y ecuaciones diferenciales. Durante la segunda guerra mundial se intensificó el desarrollo de sistemas de control: Grandes desarrollos principalmente en R. Unido, E.U. y Alemania. Fortificación del control clásico en sistemas realimentados. Grandes avances prácticos principalmente en servomecanismos, autopilotos y control de armas. Conocimiento ampliamente expandido después de la guerra.

31. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Avances en la post-guerra: Rápida diseminación del nueva teoría de control. Mayor apertura Teoría Rusa y Occidental. Establecimiento de centros de investigación en control Mayor interés no bélico en los sistemas de control. Incremento en cursos de control en universidades. Debates público acerca del control y otras ciencias. En la posguerra sigue el domino de los métodos de respuesta en frecuencia y el lugar de las raíces. Otro pequeño impulso: La computadora Gracias a la disponibilidad de las computadoras digitales se hizo posible el análisis de sistemas complejos en el dominio del tiempo ; desde entonces se ha desarrollado grandemente la teoría moderna de control. IBM 701

32. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) La teoría moderna de control se basa en el análisis y síntesis en el dominio del tiempo. Utilizando variables de estado y control óptimo (70’s). Actualmente la tendencia de los sistemas de control es hacia la optimización y hacia la digitalización total de los controladores. En artículos y literatura sobre control es posible observar la gran diversificación del control moderno, como las técnicas de control lineal y no lineal, control óptimo, control robusto, control por inteligencia artificial, control adaptable, control de estructura variable, control de eventos discretos, entre otros. El avance es vertiginoso tanto en teoría como en la práctica del control.

33. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Definiciones Sistema de control realimentado o en lazo cerrado

34. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Definiciones Sistema . Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente para lograr cierto objetivo común. El concepto de sistema se puede aplicar a fenómenos físicos, biológicos, económicos, sociales y otros. Variable controlada (Salida) . Es la cantidad o condición que se mide y controla. Variable manipulada . Es la variable que se modifica con el fin de afectar la variable controlada. Proceso . Sistema técnico o de cualquier otra área que tenga cambios de estado de acuerdo con condiciones dadas. Planta . Conjunto de piezas de una maquinaria que tienen por objetivo realizar cierta actividad en conjunto. En sistemas de control, por planta se entiende el sistema que se quiere controlar. Valor de referencia . Señal que entrega al sistema de control el valor deseado de la variable controlada o regulada. Error . Señal que entrega al regulador la diferencia entre el valor real y el valor deseado de la variable controlada.

35. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Definiciones Perturbaciones . Una perturbación es algún suceso que afecta Adversamente el desarrollo de algún proceso. Si la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina perturbación interna , caso contrario la Perturbación es externa. Control realimentado . Es una operación que tiende a mantener una relación prescrita de una variable de un sistema con otra, comparando estas funciones y usando sus diferencias como medio de control. Sistema de control realimentado . Es aquel sistema de control que utiliza alguna relación entre la variable de salida y alguna variable de referencia, como medio de control. Sistema de control de lazo abierto . Es un sistema de control en donde la salida no tiene efecto sobre la acción de control. La salida puede ser o no ser medida, pero esa medición no afecta al controlador. Señal de regulación . Es la señal que manda el regulador sobre el dispositivo que ejecuta la acción de control.

36. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) DIAGRAMAS DE PROCESO DE UN SISTEMA DE CONTROL Tanque de Agua Flotador Proceso : Tanque Sistema de Control de NIVEL Variable controlada : Nivel de Agua Variable manipulada : Flujo entrada Variable referencia : Nivel de Agua Deseado Variable de perturbación : Flujo Filtración Medidor : Flotador Actuador : Flotador Controlador : Flotador Proceso : Tanque Variable controlada : Nivel de Agua Variable manipulada : Flujo salida Variable Referencia: Nivel de Agua Deseado Variable de perturbación : Flujo Filtración Medidor : Observador (persona) Actuador : Válvula Manual Controlador : Operador (persona) Tanque de Agua Válvula V - 1

37. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Métodos de control y sus aplicaciones Control lineal (muy limitado, fácil de usar). Control No lineal (para sistemas complejos, muy efectivo). Control óptimo (busca la mejor solución sobre restricciones). Control robusto (mejor desempeño ante perturbaciones).

38. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Métodos de control y sus aplicaciones Medicina y bioingeniería (Modela y regulación de equipo medico y terapéutico, control de prótesis, ) Control de vehículos (Autopilotos de barcos y aviones, sistemas de navegación, regulación de motores y maquinas, control de trafico). Instrumentación (medición inteligente, interconexión entre funciones de regulación manual y automática, comunicación de operaciones). Sistema armamentista (búsqueda y seguimiento de blanco, sistema de radar). Ingeniería ambiental (ventilación y aire acondicionado, modelos para procesos ecológicos, estaciones meteorológicas, control de invernaderos). Industria del proceso ( regulación y control de procesos, regulación de maquinas industriales). Ingeniería espacial (lanzamiento de satélites, control de naves espaciales, navegación autónoma). Industria de la producción ( sistemas flexibles de manufacturas, desarrollo de productos). Industria de manufactura (automatización, regulación y control de maquinas CAD/CAM).

39. Introducción a la Ingeniería de Control (IdC) Metodología de trabajo de la ingeniería de control.

40. MUCHAS GRACIAS…