Filosofias de Control Segunda Edicion

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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Filosofas de control pagina 2

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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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


24/65



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


25/65



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


26/65



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.


27/65



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.


28/65



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


29/65



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


32/65



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


33/65


34/65



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


35/65



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.


36/65



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


37/65



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


38/65


39/65


40/65



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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42/65



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.


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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44/65



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


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



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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


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.


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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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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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.





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53/65



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


E10. Se pide:

1 explicar el efecto de la desconexin de cada uno de los transmisores;

efectuar el anlisis desconectndolos de a uno.


54/65




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.




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.



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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.


Instrumentacin

2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de loslazos de control involucrados en la solucin.


Figura E14

Q1

H

Agua Tibia

Intercambiadorde calor Vapor -

Agua

Agua

Fra

Vaporr

Q3

Q4 Q2

Q5


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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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E16. Se pide:


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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E17. Se pide:



I/P

FC10

I/P

XT00

FC10

TT10

TC10

LT10

LC10 +

XC00

PT00

XC01

Figura E 17

COMBUSTIBLE

ALQUITRAN


E18. Se pide:



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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.




ESTANQUE PRODUCTO FINAL

AGUA

FRIA X

FIGURA

E19

h0

AGUACALIENTEAIRE

GASREACTOR y


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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.




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.





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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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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

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Filosofias de Control Segunda Edicion