clase 1-introducción a los sistemas de control

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Sistemas de control Introducción Dr. Raúl Santiesteban Cos Culiacán, Sinaloa. Departamento de Mecatrónica Instituto Tecnológico de Culiacán

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Introduccin a los sistemas de control

Sistemas de controlIntroduccinDr. Ral Santiesteban CosCuliacn, Sinaloa.Departamento de Mecatrnica Instituto Tecnolgico de Culiacn

1Qu es control?Es la accin o el efecto de poder decidir sobre el desarrollo de un proceso o sistema. Tambin se puede entender como la forma de manipular ciertas variables para conseguir que ellas u otras variables acten en la forma deseada.

Qu es Ingeniera de control?Es un enfoque interdisciplinario para el control de sistemas y dispositivos. Combina reas como elctrica, electrnica, mecnica, qumica, ingeniera de procesos, teora matemtica entre otras.

SistemaSistemaControladorSensor-+SistemaControladorDiagrma de bloquesDinmica de sistemasTeora de controlHistoria del control automtico La historia del control automtico es muy fascinante y se remonta hasta los principios de la civilizacin.http://automata.cps.unizar.es/Historia/Webs/IntroduccionI.htmhttp://controlrc.ifac-control.org/history/control-systems-applications#R15Historia del control automticoLas primeras aplicaciones se remontan a los mecanismos reguladores con flotador en Grecia.

Flotador con vlvulaFlotador con apuntadorEl reloj de Ktesibius fue construido alrededor de 250 BC. Es considerado el primer sistema de control automtico de la historia. 6Hern de Alejandra (100 d. C.) public un libro denominado Pneumatica en donde se describen varios mecanismos de nivel de agua con reguladores de flotador.

La Fuente mgica de Hern de Alejandra

Medidor de tiempo7El primer control realimentado Cornelis Drebbel Holands (1572-1634) construy cerca de 1618 una incubadora con una realimentacin explcita para regular la temperatura. Trabajo hecho en Inglaterra.

Sin embargo el trabajo ms significativo de Drebbel fue el primer submarino til en 1620, donde tambin utiliz sistemas realimentados.

8En el ao 1745, E. Lee inventa un sistema para controlar automticamente la orientacin e inclinacin de las aspas de los molinos de viento, de modo que se aprovechara mejor la direccin del viento. Se trataba del primer servomecanismo de posicin. Fue patentado bajo el nombre de "Self-regulating Wind Machine". En esta patente [Lee 1745] se describen dos mecanismos.

Denis Papin Francs (1647-1712) en 1681, invent el primer regulador de presin para calderas de vapor.

Regulador automtico Mquina generadora de vaporRevolucin industrial10Sin embargo el primer trabajo significativo en control con realimentacin automtica fue el regulador centrfugo de James Watt, desarrollado en 1769.

MotorCargaEngranesCombustibleCierraAbreAceite a presinVlvula de controlEsquema de Regulador de velocidad modernoEn 1712 un quincallero llamado Thomas Newcomen y el ingeniero militar Thomas Savery construyeron la primera mquina de vapor atmosfrica de pistn.11Este regulador mecnico por medio de un sistema de palanca regulaba la cantidad de vapor suministrada por la caldera a la turbina de la mquina de vapor. Este invento resultar ser de gran importancia en el desarrollo histrico de la Regulacin Automtica, dado que incorpora el sensor y el actuador en un nico ingenio, sin disponer de un amplificador de potencia que aislar el sensor del actuador. [Auslander 71]

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 Polzunov13Entre los primeros cientficos interesados en el tema, se puede sealar a Sir George Biddell Airy (1801-1892), el cual en 1840 y 1851 pblica sus trabajos relativos a la regulacin de velocidad de telescopios [Airy, 1840]. Su inters se debi a la necesidad de mantener el telescopio girando lentamente a una velocidad uniforme durante las observaciones astronmicas. La principal aportacin de sus trabajos el estudio de la influencia del amortiguamiento en la estabilidad.hasta finales del siglo XIX el control automtico se caracteriz por ser eminentemente intuitivo. James Clerk Maxwell (1831-1879), consider una teora matemtica relacionada con la teora de control usando el modelo de una ecuacin diferencial 1868:Sus Aportaciones:

Concepto de estabilidad Modelos matemticos simples Importancia de la accin integral Linealizacin Estabilidad como problema algebraico Criterios de estabilidad para sistemas de primero, segundo y tercer orden.

15Jean Joseph Lon Farcot denomin su patente como "Servomoteur, ou moteur asservi" y de aqu se origina el trmino servomotor (1873).

Ivan Alekseevich Vyshnegradskii formul (1876), una teora matemtica de los reguladores de manera independiente a Maxwell, con posible influencia europea. Sus Aportaciones: Concepto de estabilidad Anlisis matemticos ms sofisticados que Maxwell. Diagramas de estabilidad. Linealizacin Distincin de configuraciones de polos.Otras aportaciones relevantes:Aleksandr Mikhailovich Lyapunov (1857-1918)Conceptos de estabilidadPrimer (lineal) y Segundo mtodo de Lyapunov (encontrar estabilidad asinttica sin usar una solucin explcita).

17Minorsky en 1922 Sistemas de direccin en barcos con realimentacin. Ecuaciones diferenciales.Hazen Servomecanismos, sistemas de posicin, seguimiento de trayectorias. Andronov Anlisis de dinmicas no lineales. Bases del control moderno en Rusia.Sistemas telefnicos: Un impulso significativo en sistemas de control.Nyquist en 1932Mtodo simple para determinar la estabilidad de lazo cerrado por mediode excitacin seniodal permanete.Bode en la dcada de 1940Mtodo de respuesta en frecuencia ms prctico que el de Nyquist.Amplificadores electrnicos con retroalimentacin en Bell TelephoneBlack en la dcada de 1940Mtodo de respuesta en frecuencia, realimentacin de amplificadores.18

The walking truck (cybernetic walking machine) was an experimental quadruped robot made by General Electric in 1968Dr. Robert McGhee began to build the Adaptive Suspension Vehicle (ASV). The ASV prototype was 3.08m long and weighed 2,250kg. It was able to step over 1.85m ditches and climb over 1.85m walls. The ASV, based on a spider, had six legs and used a vertical gyroscope and pendulums to keep its body level when travelling over irregular surfaces.

The Adaptive Suspension Vehicle Kenneth J. Waldron and Robert B. McGhee Evans final dcada de 40 principio de 50Mtodo del Lugar de las racesLos mtodos de respuesta en frecuencia y lugar de las races son la base del control clsico. Durante esas fechas los cientfico rusos se centraron en la formulacin del dominio del tiempo y ecuaciones diferenciales. Durante la segunda guerra mundial se intensific el desarrollo de sistemas de control: Grandes desarrollos principalmente en Rusia, R. Unido, E.U. y Alemania. Fortificacin del control clsico en sistemas realimentados. Grandes avances prcticos principalmente en servomecanismos, autopilotos y control de armas.21 Rpida diseminacin del nueva teora de control. Mayor apertura Teora Rusa y Occidental. Establecimiento de centros de investigacin en control Mayor inters no blico en los sistemas de control. Incremento en cursos de control en universidades. Debates pblico acerca del control y otras ciencias.En la post-guerra sigue el domino de los mtodos de respuesta en frecuencia y el lugar de las races.22La computadoraGracias a la disponibilidad de las computadoras digitales se hizo posible el anlisis de sistemas complejos en el dominio del tiempo; desde entonces se ha desarrollado grandemente la teora moderna de control (1950-1960).

Un entusiasta de la computadora fue Donald P. Eckman,quien persuadi en 1950 a algunas compaas para apoyar el programa de investigacin. Sistemas complejos de Control Eckman promovi el concepto de Automatizacin, con la imagen popular:Mecanizacin de la manufactura.Durante la conferencia, un grupo de delegados resolvi formar una organizacin internacional con el fin de promover el progreso del control automtico. Tambin se form una federacin internacional. La Federacin Internacional de Control automtico (IFAC, siglas en ingles), se consolid oficialmente el 11 y 12 de septiembre de 1957 en Pars. Michael Athans sent el origen de lo que hoy es llamada la teora del control moderna en 1956, y en septiembre del mismo ao se celebr una conferencia internacional de control automtico organizada por el comit de control de la VDI y la VDE en Heilderberg Alemania.La teora moderna de control se basa en el anlisis y sntesis en el dominio del tiempo. Utilizando variables de estado.Actualmente la tendencia de los sistemas de control es hacia la optimizacin y hacia la digitalizacin total de los controladores.

En artculos y literatura sobre control es posible observar la gran diversificacin del control moderno, como las tcnicas de control lineal y no lineal, control ptimo, control robusto, control por inteligencia artificial, control adaptable, control de estructura variable, control de eventos discretos, entre otros.25Sub-disciplinas, por tipo de control Control a lazo abierto

Control a lazo cerrado

Regulacin (set-point control) mantener algo constante

Seguimiento de trayectorias (seguir algo a medida de que cambia, con un mnimo de error)por tipo de teora Control lineal (muy limitado, fcil de usar).

Control No lineal (para sistemas complejos, muy efectivo).

Control ptimo (busca la mejor solucin sobre restricciones).

Control robusto (mejor desempeo ante perturbaciones).DefinicionesSistema. Es una combinacin de componentes que actan conjuntamentepara lograr cierto objetivo. El concepto de sistema se puede aplicar a fenmenos fsicos, biolgicos, econmicos, sociales y otros. Variable controlada (Salida). Es la cantidad o condicin que se mide ycontrola.Variable manipulada. Es la variable que se modifica con el fin de afectar lavariable controlada.Proceso. Es el desarrollo natural de un acontecimiento, caracterizado por una serie de eventos o cambio graduales, progresivamente continuos y que tienden a un resultado final. 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. Perturbaciones. Una perturbacin es algn suceso que afecta adversamente el desarrollo de algn proceso. Si la perturbacin se generadentro del sistema, se le denomina perturbacin interna, caso contrario la Perturbacin es externa. Control realimentado. Es una operacin que tiende a mantener una relacin 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 relacin 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 accin de control. La salida puede ser o no ser medida, pero esa medicin no afecta al controlador. GRACIAS