Termodinamica

INTRODUCCIÓN

Una de las áreas más importantes del control automático, son los sistemas de control de procesos industriales o control de procesos. Los requerimiento de seguridad en la operación de equipos con mayor eficiencia, el cuidado del medio ambiente y el control de calidad de los productos, hacen contar en la empresa con sistemas de supervisión y control cada vez más sofisticados. El sistema de instrumentación de un proceso industrial puede requerir, desde instrumentos tan simples como un termómetro o un indicador de presión local, hasta sistemas controlados por computador.

Para la selección, instalación y puesta en servicio de los lazos de control industrial, se requiere conocer entonces los instrumentos disponibles para la medición de las principales variables medidas o controladas en la industria.

Conocer las válvulas de control las cuales son el elemento final de control más utilizado y sobre el conocimiento de la operación de los controladores de uso industrial, su sintonización y la obtención de la información necesaria del proceso para realizarla.

El controlador empleado en más del 95% de los lazos de control industrial es el PID (Proporcional, Integral, Derivativo), el cual debe ser sintonizado adecuadamente para lograr un desempeño óptimo del lazo de control. Para lograr lo último, es necesario contar con información del comportamiento del sistema a controlar, usualmente obtenida en forma experimental.

Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación.

Un sistema de control básico es mostrado en la siguiente figura:

Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de control. Atendiendo a su naturaleza son analógicos, digitales o mixtos; atendiendo a su estructura (número de entradas y salidas) puede ser control clásico o control moderno; atendiendo a su diseño pueden ser por lógica difusa, redes neuronales. La clasificación principal de un sistema de control es de dos grandes grupos, los cuáles son:

Sistema de lazo abierto: Sistema de control en el que la salida no tiene efecto sobre la acción de control.

• Se caracteriza porque la información o la variable que controla el proceso circulan en una sola dirección desde el sistema de control al proceso.

• El sistema de control no recibe la confirmación de que las acciones se han realizado correctamente.

Ejemplo: Pensemos en el mecanismo de encendido y apagado de la luz de un pasillo de un edificio de departamentos. Cuando subimos por el ascensor y el pasillo se encuentra a oscuras encendemos la luz. Esta luz se mantiene encendida durante un lapso de tiempo y luego se apaga independientemente del tiempo que nosotros necesitemos. En este caso no hay ningún dispositivo que informe al sistema si todavía hay gente en el pasillo o si ya no hay nadie. No existe la retroalimentación ya que no existe un dispositivo que obtenga datos de ambiente (presencia de personas en el pasillo), y por lo tanto, ninguna información retroalimenta al sistema. La información va en un solo sentido.

Sistema de lazo cerrado: Sistema de control en el que la salida ejerce un efecto directo sobre la acción de control.

• Se caracteriza porque existe una relación de realimentación desde el proceso hacia el sistema de control a través de los sensores.

• El sistema de control recibe la confirmación si las acciones ordenadas han sido realizadas correctamente.

Los principales tipos de sistemas de control son:

• Sí/No. En este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es utilizado, por ejemplo, en el alumbrado público, ya que éste se enciende cuando la luz ambiental es más baja que un nivel predeterminado de luminosidad.

• Proporcional (P). En este sistema la amplitud de la señal de entrada al sistema afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel prefijado sino toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de iluminación utilizan un sistema P para determinar con qué intensidad encender lámparas dependiendo directamente de la luminosidad ambiental.

• Proporcional derivativo (PD). En este sistema, la velocidad de cambio de la señal de entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación, calculando la derivada de la señal.

• Proporcional integral (PI). Este sistema es similar al anterior, solo que la señal se integra en vez de derivarse.

• Proporcional integral derivativo (PID). Este sistema combina los dos tipos anteriores.

• Redes neuronales. Este sistema modela el proceso de aprendizaje del cerebro humano para aprender a controlar la señal de salida.

Los sistemas de control son agrupados en tres tipos básicos:

1. Hechos por el hombre. Como los sistemas eléctricos o electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento. Un claro ejemplo de este será un termostato, el cual capta consecutivamente señales de temperatura. En el momento en que la temperatura desciende o aumenta y sale del rango, este actúa encendiendo un sistema de refrigeración o de calefacción.

1.1 Por su causalidad pueden ser: causales y no causales. Un sistema es causal si existe una relación de causalidad entre las salidas y las entradas del sistema, más explícitamente, entre la salida y los valores futuros de la entrada.

1.2 Según el número de entradas y salidas del sistema, se denominan por su comportamiento

1.2.1 De una entrada y una salida o SISO (single input, single output).

1.2.2 De una entrada y múltiples salidas o SIMO (single input, múltiple output).

1.2.3 De múltiples entradas y una salida o MISO (múltiple input, single output).

1.2.4 De múltiples entradas y múltiples salidas o MIMO (múltiple input, múltiple output).

1.3 Según la ecuación que define el sistema, se denomina:

1.3.1 Lineal, si la ecuación diferencial que lo define es lineal.

1.3.2 No lineal, si la ecuación diferencial que lo define es no lineal.

1.4 Las señales o variables de los sistema dinámicos son función del tiempo. Y de acuerdo con ello estos sistemas son:

1.4.1 De tiempo continuo, si el modelo del sistema es una ecuación diferencial, y por tanto el tiempo se considera infinitamente divisible. Las variables de tiempo continuo se denominan también analógicas.

1.4.2 De tiempo discreto, si el sistema está definido por una ecuación por diferencias. El tiempo se considera dividido en períodos de valor constante. Los valores de las variables son digitales (sistemas binario, hexadecimal, etc), y su valor solo se conoce en cada período.

1.4.3 De eventos discretos, si el sistema evoluciona de acuerdo con variables cuyo valor se conoce al producirse un determinado evento.

1.5 Según la relación entre las variables de los sistemas, diremos que:

1.5.1 Dos sistemas están acoplados, cuando las variables de uno de ellos están relacionadas con las del otro sistema.

1.5.2 Dos sistemas están desacoplados, si las variables de ambos sistemas no tienen ninguna relación.

1.6 En función de la evolución de las variables de un sistema en el tiempo y el espacio, pueden ser:

1.6.1 Estacionarios, cuando sus variables son constantes en el tiempo y en el espacio.

1.6.2 No estacionarios, cuando sus variables no son constantes en el tiempo o en el espacio.

1.7 Según sea la respuesta del sistema (valor de la salida) respecto a la variación de la entrada del sistema:

1.7.1 El sistema se considera estable cuando ante cualquier señal de entrada acotada, se produce una respuesta acotada de la salida.

1.7.2 El sistema se considera inestable cuando existe por lo menos una entrada acotada que produzca una respuesta no acotada de la salida.

1.8 Si se comparan o no, la entrada y la salida de un sistema, para controlar esta última, el sistema se denomina:

1.8.1 Sistema en lazo abierto, cuando la salida para ser controlada, no se compara con el valor de la señal de entrada o señal de referencia.

1.8.2 Sistema en lazo cerrado, cuando la salida para ser controlada, se compara con la señal de referencia. La señal de salida que es llevada junto a la señal de entrada, para ser comparada, se denomina señal de feedback o de retroalimentación.

1.9 Según la posibilidad de predecir el comportamiento de un sistema, es decir su respuesta, se clasifican en:

1.9.1 Sistema determinista, cuando su comportamiento futuro es predecible dentro de unos límites de tolerancia.

1.9.2 Sistema estocástico, si es imposible predecir el comportamiento futuro. Las variables del sistema se denominan aleatorias.

2. Naturales, incluyendo sistemas biológicos. Por ejemplo, los movimientos corporales humanos como el acto de indicar un objeto que incluye como componentes del sistema de control biológico los ojos, el brazo, la mano, el dedo y el cerebro del hombre. En la entrada se procesa el movimiento y la salida es la dirección hacia la cual se hace referencia.

3. Cuyos componentes

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