S01- INGENIERIA DE Control UNI FIM 25 2.pdf

S01- INGENIERIA DE Control UNI FIM 25 2.pdf

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO
INGENIERÍA DE CONTROL
MT 221
TEMA:INTRODUCCIÓN SISTEMAS DE
CONTROL
DOCENTE: Msc. Nelson Chambi Quiroz
2025

2. ¿Qué se aprecia en la
imagen?

3. ¿Qué se aprecia en la
imagen?

4. ¿Qué se aprecia en la
imagen?

5. ¿Qué se aprecia en la
imagen?

6. Introducción
Unsistemadecontrolesunconjuntodeelementosinterrelacionadosqueregulanel
comportamientodeotrosistemaoprocesoconelobjetivodemantenerunavariablede
interésdentrodeunrangodeseado.Estossistemasestánpresentesenmúltiplesáreas:
desdelaindustria(controldetemperaturaenhornos),laingeniería(pilotoautomático
enaeronaves)hastalavidacotidiana(termostatos,controldevelocidaddeun
automóvil).

7. Unsistemadecontrolbuscamanipularunavariabledesalidaapartirdeunaentrada
deseada(referencia),medianteunprocesoderealimentaciónycorreccióndeerrores.
Variablesimportantes:
Entrada:señalqueseaplicaalsistema(ej.voltaje).
Salida:variablequesedeseacontrolar(ej.temperatura).
Perturbaciones:señalesexternasqueafectanalsistema(ej.viento,vibración).
Error:diferenciaentrelareferenciaylasalidareal.
Ejemplopráctico:
Unaireacondicionadoregulalatemperaturainteriorcomparandolatemperaturamedida
(sensor)conladeseada(ajustadaporelusuario).Elsistematomadecisiones(encendero
apagarelcompresor)paramantenerlatemperaturadentrodelrango.
Introducción

8. ¿Qué es una planta?
Unaplantapuedeserpartedeunequipo,talvezunconjuntodeloselementosdeuna
máquinaquefuncionanjuntos,ycuyoobjetivoesefectuarunaoperaciónparticular.Enel
cursollamaremosplantaacualquierobjetofísicoquesevaacontrolar(comoun
dispositivomecánicounhornodecalefacción,unreactorquímico,etc.)
¿Qué es un proceso?
Unprocesoindustrialseconocegeneralmentecomoellugardondemateriaymuya
menudoenergíasontratadosparadarcomoresultadounproductodeseadooestablecido.
EnadelanteaesteprocesoindustrialllamaremossimplementeProceso
Introducción

9. ¿Qué es un Sistema?
Unsistemaeslacombinacióndecomponentes(plantayproceso)queactúan
interconectados,paracumplirundeterminadoobjetivo.
¿Cómo se representa un sistema?
Comounrectánguloocajanegrayvariablesqueactúansobreelsistema.Lasflechasque
entran(u,entradas).Lasflechasquesalen(y,variablesproducidasporelsistemaosalidas)
Introducción

10. ImportanciadelaIngenieríadeControl
Laingenieríadecontroltieneunagrantrascendenciaenlasociedad(tecnologíaoculta).La
mayorpartedelossistemasmodernos(aviación,trenesdealtavelocidad,reproductoresde
CD,…)nopodríanfuncionarsinlaayudadesofisticadossistemasdecontrol.
Introducción
MotivodelControl
Todoslospuntosmencionadosanteriormentesonrelevantesenelcontroldeunaplanta
integradacomoelprocesodeunaplanta

11. Elcontroleslaclaveparaelfuncionamientodelatecnología:
•Mejoraenlacalidaddelproducto
•Incrementodelaproductividad
•Minimizacióndelgasto
•Ahorroenergético
•Protecciónmedioambiental
•Mayorproducciónparaunacapacidadinstaladadada
•espacianlaactualizacióndelasplantas,y
•Mayormargendebeneficios
Introducción

12. •Lossensoressonlosojosdelcontrolquenospermitenverqueestá
pasando.Unadelasafirmacionesquesesuelenhacersobreelcontrol
es:Sipuedesmedirlo,puedescontrolarlo.
•Unavezlossensoresestáncolocadosparadecirnoselestadodeun
proceso,elsiguientepasoeslanecesidaddeactuarsobreelproceso
paraqueevolucionealestadodeseado.Estosehacemediantelos
actuadores.
Introducción

13. •Primeraaplicacióndecontrol.Un
relojdeaguaescualquier
cronometroquefuncionamediante
unflujoreguladodeliquidode
entradaodesalidadeunavasija.
•Sedesearegularelniveldela
primeravasijaparaobtenerunflujo
constantededescargaalasegunda.
Introducción

14. Válvuladeflotador(boya)
•Mismaideaderealimentaciónqueenlos
relojesdeagua
•Calderasdemáquinasdevapor
•Sistemasdesuministrodeagua
•CisternasW.C.
•Accióndecontrolproporcional
•LaválvuladeflotadorinventadaporThomas
Crappereslamismaqueseusaenlacisterna
delosbaños(WC).
•Accióndecontrolporrelé
Introducción

15. ControlClásico
•EldiseñodesistemasdecontroldurantelaRevoluciónIndustrialestaba
basadoenpruebayerrorunidoconunagrandosisdeintuicióningenieril.
•Amediadosdeladécadade1800losmatemáticosfueronlosprimerosen
analizarlaestabilidaddelossistemasdecontrolrealimentados.Desde
entonceslasmatemáticassonellenguajeformaldelateoríadecontrol.
Podemosllamaraesteperiodolaprehistoriadelateoríadecontrol.
•Estetrabajoenelanálisismatemáticodesistemasdecontrolserealizó
usandoecuacionesdiferenciales.)
Introducción

16. ControlClásico-Limitaciones
•Eldominiofrecuencialesapropiadoparasistemaslinealesinvariantesen
eltiempoyunaentrada/unasalida(SISO).
•Limitacionesparatratarnolinealidades.
•Senecesitandescripcionesmasapropiadasparaproblemascomplejosde
controlmultivariable.
Introducción

17. •Segúnlaaccióndecontrol
•Segúneltipodeseñal
•Segúnelcomportamientodinámico
Clasificación de Sistemas
de Control

18. •Segúnlaaccióndecontrol
•Sistemasdelazoabierto:Lasalidanosecomparaconlareferencia.
•Ejemplo:lavadoraprogramadaportiempo.
•Ventaja:simplicidad.
•Desventaja:nocorrigeerrores.
Clasificación de Sistemas
de Control

19. •Segúnlaaccióndecontrol
•Sistemasdelazocerrado(retroalimentados):Lasalidasemideysecomparacon
lareferencia.
•Ejemplo:controldevelocidaddeunmotorconsensor.
•Ventaja:corrigeperturbaciones.
•Desventaja:máscomplejos.
Clasificación de Sistemas
de Control

20. •Laretroalimentaciónsedefinecomo:
•Ensistemasdelazocerradolavariablecontroladaescomparada,de
formadirectaoindirectamente,conlareferenciadelsistema,detal
formaquepuedallevarseacabounaaccióndecontrol.
•Unaretroalimentaciónbienaplicada,lograincrementarlaexactitud
delsistema,reducelainestabilidaddelasalidaaperturbaciones
externasyalasvariacionesdelosparámetrosinternos.
Clasificación de Sistemas
de Control

21. •Segúneltipodeseñal
•Sistemascontinuos:variables
cambiandeformacontinuaenel
tiempo.Ejemplo:controlde
presiónenunatubería.
Clasificación de Sistemas
de Control

22. •Segúneltipodeseñal
•Sistemasdiscretos:variablesseactualizaneninstantesespecíficos
(digitales).Ejemplo:controladordigitalenunmicroprocesador.
Clasificación de Sistemas
de Control

23. •Segúnelcomportamientodinámico
•Lineales:cumplenelprincipiodesuperposición
(proporcionalidadyaditividad).
•Nolineales:incluyensaturación,histéresis,fricciones,etc.(más
cercanosalarealidad).
Clasificación de Sistemas
de Control

24. •Sistemadecontrolmultivariable
•Unsistemadecontrolmultivariable(tambiénconocidocomoMIMO–
MultipleInputMultipleOutput)esaquelenelquesemanejanmúltiples
entradasymúltiplessalidasdemanerasimultáneaeinterrelacionada.
Clasificación de Sistemas
de Control

25. Diagrama de Bloques de
un Sistema de Control

26. SetpointValue()
•Laentradaaunsistemadecontroleselpuntodondeeloperadoringresay
fijaunvaloralcualseleconocecomoSetpointValue(SV)osimplemente
Setpoint,tambiéncomopuntodeconsignaovalordeseado,elcualel
sistemadebeobtenerymantenerenlasalidadelamaneramásestabley
exactaposible.
Diagrama de Bloques de
un Sistema de Control

27. Diagrama de Bloques de
un Sistema de Control
ProcessValue()
•Lasalidadeunsistemadecontroleselvalordeunavariableenunpuntodel
procesoqueeldiseñadorhaestablecidoyquedeterminarálacalidaddel
producto,yseledefinecomovariablecontroladamásconocidacomo
ProcessValue(ValordeProcesoovariablecontrolada.
•LavariablecontroladaoPVesunacondiciónocaracterísticadelmedio
controlado.

28. Diagrama de Bloques de
un Sistema de Control
VariableManipulada(MV)
•Eslacantidadocondicióndelamateriaoenergíaqueingresaalprocesoy
queesmodificadaporelcontroladorparaqueelvalordelavariable
controladasemantengaenelvalordelsetpointrequerido
•Porejemplocuandounelementofinaldecontrolmodificaelcaudalde
vaporalproceso,lavariablemanipuladaeselcaudalmientrasqueelvapor
eslaenergíadeentrada

29. Diagrama de Bloques de
un Sistema de Control
Controlador
•Elcontroladoreseldispositivoqueenprincipiotambienmidelaseñal
enviadaporelmedidor(ylacomparaconelsetpoint(SV)ydeterminala
señaldecorrecciónalelementofinaldecontrol.
•Elcontroladortienedoselementosimportantes,quesonelcomparadoryel
algoritmodecontrol

30. Diagrama de Bloques de
un Sistema de Control
Elementofinaldecontrol
•Elelementofinaldecontroleseldispositivoque
recibeatravésdelaseñaldelcontroladorlaorden
pararealizarunadeterminadaacciónsobreelproceso
quepermitaquelavariablesemantengaoretorneal
valordelsetpoint

31. Diagrama de Bloques de
un Sistema de Control
Elementofinaldecontrol
•Elsensoreselelementoprimarioymásimportantedelmedidor
•Elsensorporsímismoesunmedidor,yeselqueseencargadetomarla
informacióndelproceso
•Elsensoresasociadoconundispositivomecánico,neumáticoo
electrónico,paraentregarnosuna
•mejorinformaciónatravésdealgúntipodeindicaciónvisualmecánicao
digital,
•Laemisióndeunaseñalestandarizaday/otecnologíadigitalde
comunicaciónatravésdegrandesdistanciasserealizaatravésdeun
transmisor.

32. Modelamiento de Sistemas
Dinámicos
Elmodelamientoconsisteenrepresentarmatemáticamenteunsistema
físicoparaanalizarypredecirsucomportamiento.
Unsistemadinámicoesaquelcuyoestadoactualdependedesus
condicionesinicialesydelasentradasaplicadaseneltiempo.

33. Modelamiento de Sistemas
Dinámicos
MétodosdeModelamiento
Ecuacionesdiferenciales:
Se describe el comportamiento mediante relaciones entre variables y sus
derivadas.
Ejemplo: circuito RC

34. Modelamiento de Sistemas
Dinámicos
MétodosdeModelamiento
Funcionesdetransferencia:
RepresentacióneneldominiodeLaplacequerelacionaentradaysalida.

35. Modelamiento de Sistemas
Dinámicos
MétodosdeModelamiento
Modelosenespaciodeestados:
Describenelsistemamediantevectoresdeestado.

36. Modelamiento en el espacio de
estado
•EcuacióndeSalida�(�)=�∗��+�∗�(�)
•Describecomolassalidasy(t)delsistemaserelacionanconlosestadosylasentradas
actuales.
•Ceslamatrizdesalida,definequeestadosseestamidiendouobservando.
•Deslamatrizquedefinesiunaentradaafectadirectamenteysindemoraalasalida.

37. Modelamiento en el espacio de
estado
Ejemplo: Circuito RLC
1. Determinar los estados del sistema:
2. Encontrar las ecuaciones de estado del
sistema:

38. Modelamiento en el espacio de
estado
Ejemplo: Circuito RLC
3. Expresar las ecuaciones

39. Interpretación física de los modelos
matemáticos
Elmodelamientoenelespaciodeestadonoresidesóloensucapacidadparadescribir
matemáticamenteunsistema,sinoencómocadaelementodelarepresentación
matemática(matricesA,B,C,D)tieneunacorrespondenciadirectaeintuitivacon
propiedadesfísicasdelsistema.
InterpretaciónFísica:Suelenservariablesfundamentalesrelacionadasconlaenergía
almacenadaenelsistema.
•SistemasMecánicos:Posición(energíapotencial)yVelocidad(energíacinética).
•SistemasEléctricos:Voltajeencapacitores(energíapotencialeléctrica)yCorrienteen
inductores(energíamagnética).
•SistemasTérmicos:Temperatura(energíatérmicainterna).

40. GRACIAS