Los pasos básicos para modelar un sistema de control son:
Definir el modelo matemático y programar el sistema de control.
Seleccionar los parámetros y los valores iniciales.
Ejecutar el modelo.
Procesar los resultados (incluye la visualización y la investigación adicional).
Interactuar con el modelo hasta lograr optimización.
Con el modelamiento y simulación de los sistemas de control, se busca satisfacer la necesidad de controlar la fabricación de los productos mediante el mantenimiento de las variables de proceso en los valores más estables posibles. Los controladores comparan las variables de proceso con el punto de consigna (setpoint) y a partir de su diferencia o error calculan cual debe ser la señal de salida al elemento final de control.
Para controlar el proceso, se utiliza el controlador más apropiado:
Relé (On-Off). , PID, Ratio., Fuzzy logic. Otros (Casacada, Adaptivo, Algoritmos Genéticos, Redes neuronales, etc).
Los procesos industriales son simulados de dos formas:
Utilizando la Teoría Clásica de Control.
Concepto de Espacio de Estado.
La arquitectura PC y la programación gráfica nos permite realizar pruebas en tiempo-real con señales simuladas, reales (“hardware in the loop” testing) o híbridas (simuladas o reales).
El lenguaje de programación gráfica incluye herramientas para el modelado, análisis y simulación de sistemas dinámicos, y soporta sistemas lineales y no-lineales, discretos y continuos.
SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE CONTROL EN LA EMPRESA
Existen cuatro áreas básicas en toda empresa manufacturera que se pueden beneficiar del modelamiento y simulación de sistemas:
Diseño (Ingeniería)
Operaciones (Producción)
Control de Calidad (Pruebas y Medidas)
Mantenimiento.
PROGRAMACIÓN GRÁFICA
Existen muchos lenguajes de programación en el mercado. Algunos de ellos utilizan la denominación “visual” en su nombre. (Ejemplo: Visual C, Visual Basic, etc.). Lo cierto es que la mayoría de estos lenguajes son no más del 50% visuales, ya que están basados en una combinación de objetos gráficos y texto. Sin embargo, si existen lenguajes de programación 100% gráficos, es decir, lenguajes que permiten programar y desarrollar una aplicación sin utilizar texto. Tal es el caso de LABVIEW, INTOUCH, entre otros, cuyos lenguajes de programación permiten la programación sin texto, utilizando sólo íconos , cables gráficos y controles o indicadores (objetos gráficos).
El principio o paradigma de programación en los lenguajes gráficos se basa en cuatro elementos básicos:
El uso de íconos, cables gráficos y controles-indicadores.
Programación en base a un diagrama de bloques.
El uso de dos ventanas de programación: panel de controles y panel del diagrama (LabView).
Ejecución del programa en base al flujo de datos, en forma paralela.
Un “sistema” es un conjunto de objetos reunidos en alguna interacción o interdependencia regular. Los “sistemas” están compuestos por entidades, atributos y actividades. El “estado” de un sistema se describe la condición actual de sus entidades, atributos y actividades. Su progreso se estudia siguiendo los cambios del “estado” del sistema.
Un “modelo” es una descripción lógica de cómo un sistema, proceso o componente se comporta. La simulación incluye el diseño de un “modelo” de un sistema, proceso o componente, y la realización de experimentos sobre el mismo. El propósito de los experimentos es determinar cómo el sistema real se desempeña y pronosticar el efecto de los cambios sobre el mismo en el tiempo.
Se utiliza la simulación para responder preguntas tales como:
¿Resultará este cambio en el proceso en una mayor calidad, eficiencia o producción?.
¿Podemos estabilizar el sistema en un menor tiempo aplicando este algoritmo de control?.
¿Se reduce el consumo de materia prima realizando estos cambios al sistema de control?.
¿Se reduce la variación del proceso utilizando este nuevo algoritmo?.
Etc.
Existen actividades endógenas que solo ocurren dentro del sistema. También existen actividades exógenas que sólo ocurren fuera del sistema (en el entorno). Si el sistema es un sistema “cerrado”, entonces se dice que no cuenta con actividad exógena. Si el sistema es “abierto”, entonces si cuenta con actividad exógena. Los cambios en actividades exógenas (del entorno) pueden afectar el sistema.
Si el resultado de una actividad se puede describir completamente en términos de su entrada, se denomina “determinística”. Si los efectos de la actividad varían aleatoriamente en diferentes salidas, se denomina “estocástica”. Si la ocurrencia de una actividad es aleatoria, se le atribuye al entorno o medio ambiente y por lo tanto es exógena. Se utilizan distribuciones de probabilidad para describir el carácter aleatorio de una actividad.
Los modelos son estocásticos o dinámicos. Los modelos dinámicos se sub-dividen en continuos y discretos.
Los sistemas discretos son aquellos en los que los cambios ocurren en forma discontinua. Se describe en base a los eventos que producen los cambios en el estado del sistema, y a veces se simplifican considerando que los cambios ocurren en forma continua.
Hay pocos sistemas totalmente discontinuos o totalmente discretos. Sin embargo, siempre predomina un tipo de cambio (suave o discontinuo), por lo que se pueden definir como continuos o discretos
Señales continuas y discretas
Las señales sirven para describir los fenómenos físicos y se representan matemáticamente como funciones con una o más variables independientes.
En el caso de las señales continuas, la variable independiente es continua, es decir, puede tomar cualquier valor real.
Las señales discretas sólo están definidas en un conjunto discreto de valores de la variable independiente.
En un modelo matemático, las entidades del sistema y sus atributos se presentan mediante variables matemáticas. Las actividades se describen mediante funciones matemáticas que
interrelacionan las variables. Los modelos matemáticos dinámicos normalmente se resuelven mediante métodos numéricos, y la simulación es una de las herramientas más comunes.
Un modelo no es solo un sustituto de un sistema, sino también una simplificación del mismo. Para obtener un modelo se debe al menos hacer lo siguiente:
Determinar su estructura (entidades, atributos y fronteras).
Definir los datos (valores de los atributos y relaciones involucradas en las actividades)
Definir interrelación: las suposiciones relativas al sistema orientan la recolección de datos y el análisis de éstos confirma o refuta las suposiciones.
Los pasos básicos para modelar un sistema de control son:
Definir el modelo matemático y programar el sistema de control.
Seleccionar los parámetros y los valores iniciales.
Ejecutar el modelo (simulación)
Procesar los resultados (incluye la visualización y la investigación adicional).
Interactuar con el modelo hasta lograr optimización.
Proceso es un sistema técnico o de cualquier otra área que tenga cambios de estado de acuerdo con condiciones dadas.
El primer paso es medir la temperatura de salida del flujo del proceso, esto se hace mediante un sensor (termopar, dispositivo de resistencia térmica, termómetro, termistores, etc.). El sensor se conecta físicamente al transmisor, el cual capta la salida del sensor y la convierte en una señal lo suficientemente intensa como para transmitirla al controlador. El controlador recibe la señal, que está en relación con la temperatura, la compara con el valor que se desea y, según el resultado de la comparación, decide qué hacer para mantener la temperatura en el valor deseado. Con base en la decisión, el controlador envía otra señal al elemento final de control, el cual, a su vez, maneja el flujo de vapor
COMPONENTES BÁSICOS DE TODO SISTEMA DE CONTROL
Los cuatro componentes básicos de todo sistema de control son:
Sensor, que también se conoce como elemento primario.
Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario.
Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.
Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control aunque no siempre. Otros elementos finales de control comúnmente utilizados son las bombas de velocidad variable, los transportadores y los motores eléctricos.
OPERACIONES BÁSICAS PRESENTES EN TODO SISTEMA DE CONTROL
La importancia de estos componentes está en que realizan tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo sistema de control, estas operaciones son:
Medición (M): la medición de la variable que se controla se hace generalmente mediante la combinación de sensor y transmisor (transductor).
Decisión (D): con base en la medición, el controlador decide qué hacer para mantener la variable en el valor que se desea.
Acción (A): como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de control.
TÉRMINOS IMPORTANTES EN EL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESO
Algunos de los términos que se usan en el campo del control automático de proceso son:
Variable controlada, ésta es la variable que se debe mantener o controlar dentro de algún valor deseado. En el ejemplo anterior, la variable controlada es la temperatura de salida del proceso T(t).
Punto de control, es el valor que se desea tenga la variable controlada.
Variable manipulada, es la variable que se utiliza para mantener a la variable controlada en el punto de control (punto de fijación o de régimen, punto de consigna o “set point”); en el ejemplo la variable manipulada es el flujo de vapor.
Perturbación o trastorno, es cualquier variable que ocasiona que la variable de controlada se desvíe del punto de control; en la mayoría de los procesos existe una amplia variedad de perturbaciones, por ejemplo, en el intercambiador de calor descrito anteriormente, las posibles perturbaciones son la temperatura de entrada del proceso, Ti(t), el flujo del proceso, q(t), la calidad de la energía del vapor, las condiciones ambientales, la composición del fluido que se procesa, la contaminación, etc.
Otros términos también importantes son:
Control de Circuito abierto o Lazo abierto u “open loop control system”, se refiere a la situación en la cual se desconecta el controlador del sistema, es decir, el controlador no realiza ninguna función relativa a cómo mantener la variable controlada en el punto de control; otro ejemplo en el que existe control de circuito abierto es cuando la acción (A) efectuada por el controlador no afecta a la medición (M), este caso puede considerarse como una deficiencia fundamental del diseño del sistema de control.
Control de circuito cerrado o de lazo cerrado o “closed loop control system”, se refiere a la situación en la cual se conecta el controlador al proceso; el controlador compara el punto de control (la referencia) con la variable controlada y determina la acción correctiva.
OBJETIVO DEL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESO
“El objetivo del sistema de control automático de proceso es utilizar la variable manipulada para mantener a la variable controlada en el punto de control a pesar de las perturbaciones”.
Aplicaciones de la ingeniería de control
Medicina y bioingeniería. Modelado y regulación de equipo médico y terapéutico. Control de prótesis. Aplicación de utensilios técnicos para la agricultura como base para procesos biológicos en plantas y animales.
Control de vehículos. Autopilotos de barcos y aviones. Sistemas de navegación. Sistema automático de aterrizaje. Regulación de motores y máquinas para el consumo económico de combustibles y de baja emisión. Sistema activo de membranas . Tráfico.
Instrumentación. Comunicación de operaciones. Medición inteligente. Interconexión entre funciones de regulación manual y automática.
Sistema armamentista. Búsqueda y seguimiento del blanco. Dirección de cañones y sistemas de radar. Control de robots.
Ingeniería ambiental. Ventilación y aire acondicionado. Modelos para procesos ecológicos. Control de procesos de saneamiento de desperdicios tóxicos.
Industria del proceso. Regulación y control de procesos dentro de minas, papel, talado de árboles, ingeniería química. Regulado de máquinas en la industria papelera, del metal, columnas de destilación, reactores, etc.
Industria espacial. Lanzamiento de satélites. Control de naves espaciales. Navegación autónoma.
Industria de la producción. Sistemas flexibles de manufactura. Desarrollo de productos para transporte y manejo, así como video o audio y otras áreas de uso doméstico.
Industria de manufactura. Automatización. Control y regulación de máquinas herramientas (CAD/CAM), Robots industriales y manipuladores. Montacargas automáticos. Elevadores
Definir el modelo matemático y programar el sistema de control.
Seleccionar los parámetros y los valores iniciales.
Ejecutar el modelo.
Procesar los resultados (incluye la visualización y la investigación adicional).
Interactuar con el modelo hasta lograr optimización.
Con el modelamiento y simulación de los sistemas de control, se busca satisfacer la necesidad de controlar la fabricación de los productos mediante el mantenimiento de las variables de proceso en los valores más estables posibles. Los controladores comparan las variables de proceso con el punto de consigna (setpoint) y a partir de su diferencia o error calculan cual debe ser la señal de salida al elemento final de control.
Para controlar el proceso, se utiliza el controlador más apropiado:
Relé (On-Off). , PID, Ratio., Fuzzy logic. Otros (Casacada, Adaptivo, Algoritmos Genéticos, Redes neuronales, etc).
Los procesos industriales son simulados de dos formas:
Utilizando la Teoría Clásica de Control.
Concepto de Espacio de Estado.
La arquitectura PC y la programación gráfica nos permite realizar pruebas en tiempo-real con señales simuladas, reales (“hardware in the loop” testing) o híbridas (simuladas o reales).
El lenguaje de programación gráfica incluye herramientas para el modelado, análisis y simulación de sistemas dinámicos, y soporta sistemas lineales y no-lineales, discretos y continuos.
SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE CONTROL EN LA EMPRESA
Existen cuatro áreas básicas en toda empresa manufacturera que se pueden beneficiar del modelamiento y simulación de sistemas:
Diseño (Ingeniería)
Operaciones (Producción)
Control de Calidad (Pruebas y Medidas)
Mantenimiento.
PROGRAMACIÓN GRÁFICA
Existen muchos lenguajes de programación en el mercado. Algunos de ellos utilizan la denominación “visual” en su nombre. (Ejemplo: Visual C, Visual Basic, etc.). Lo cierto es que la mayoría de estos lenguajes son no más del 50% visuales, ya que están basados en una combinación de objetos gráficos y texto. Sin embargo, si existen lenguajes de programación 100% gráficos, es decir, lenguajes que permiten programar y desarrollar una aplicación sin utilizar texto. Tal es el caso de LABVIEW, INTOUCH, entre otros, cuyos lenguajes de programación permiten la programación sin texto, utilizando sólo íconos , cables gráficos y controles o indicadores (objetos gráficos).
El principio o paradigma de programación en los lenguajes gráficos se basa en cuatro elementos básicos:
El uso de íconos, cables gráficos y controles-indicadores.
Programación en base a un diagrama de bloques.
El uso de dos ventanas de programación: panel de controles y panel del diagrama (LabView).
Ejecución del programa en base al flujo de datos, en forma paralela.
Un “sistema” es un conjunto de objetos reunidos en alguna interacción o interdependencia regular. Los “sistemas” están compuestos por entidades, atributos y actividades. El “estado” de un sistema se describe la condición actual de sus entidades, atributos y actividades. Su progreso se estudia siguiendo los cambios del “estado” del sistema.
Un “modelo” es una descripción lógica de cómo un sistema, proceso o componente se comporta. La simulación incluye el diseño de un “modelo” de un sistema, proceso o componente, y la realización de experimentos sobre el mismo. El propósito de los experimentos es determinar cómo el sistema real se desempeña y pronosticar el efecto de los cambios sobre el mismo en el tiempo.
Se utiliza la simulación para responder preguntas tales como:
¿Resultará este cambio en el proceso en una mayor calidad, eficiencia o producción?.
¿Podemos estabilizar el sistema en un menor tiempo aplicando este algoritmo de control?.
¿Se reduce el consumo de materia prima realizando estos cambios al sistema de control?.
¿Se reduce la variación del proceso utilizando este nuevo algoritmo?.
Etc.
Existen actividades endógenas que solo ocurren dentro del sistema. También existen actividades exógenas que sólo ocurren fuera del sistema (en el entorno). Si el sistema es un sistema “cerrado”, entonces se dice que no cuenta con actividad exógena. Si el sistema es “abierto”, entonces si cuenta con actividad exógena. Los cambios en actividades exógenas (del entorno) pueden afectar el sistema.
Si el resultado de una actividad se puede describir completamente en términos de su entrada, se denomina “determinística”. Si los efectos de la actividad varían aleatoriamente en diferentes salidas, se denomina “estocástica”. Si la ocurrencia de una actividad es aleatoria, se le atribuye al entorno o medio ambiente y por lo tanto es exógena. Se utilizan distribuciones de probabilidad para describir el carácter aleatorio de una actividad.
Los modelos son estocásticos o dinámicos. Los modelos dinámicos se sub-dividen en continuos y discretos.
Los sistemas discretos son aquellos en los que los cambios ocurren en forma discontinua. Se describe en base a los eventos que producen los cambios en el estado del sistema, y a veces se simplifican considerando que los cambios ocurren en forma continua.
Hay pocos sistemas totalmente discontinuos o totalmente discretos. Sin embargo, siempre predomina un tipo de cambio (suave o discontinuo), por lo que se pueden definir como continuos o discretos
Señales continuas y discretas
Las señales sirven para describir los fenómenos físicos y se representan matemáticamente como funciones con una o más variables independientes.
En el caso de las señales continuas, la variable independiente es continua, es decir, puede tomar cualquier valor real.
Las señales discretas sólo están definidas en un conjunto discreto de valores de la variable independiente.
En un modelo matemático, las entidades del sistema y sus atributos se presentan mediante variables matemáticas. Las actividades se describen mediante funciones matemáticas que
interrelacionan las variables. Los modelos matemáticos dinámicos normalmente se resuelven mediante métodos numéricos, y la simulación es una de las herramientas más comunes.
Un modelo no es solo un sustituto de un sistema, sino también una simplificación del mismo. Para obtener un modelo se debe al menos hacer lo siguiente:
Determinar su estructura (entidades, atributos y fronteras).
Definir los datos (valores de los atributos y relaciones involucradas en las actividades)
Definir interrelación: las suposiciones relativas al sistema orientan la recolección de datos y el análisis de éstos confirma o refuta las suposiciones.
Los pasos básicos para modelar un sistema de control son:
Definir el modelo matemático y programar el sistema de control.
Seleccionar los parámetros y los valores iniciales.
Ejecutar el modelo (simulación)
Procesar los resultados (incluye la visualización y la investigación adicional).
Interactuar con el modelo hasta lograr optimización.
Proceso es un sistema técnico o de cualquier otra área que tenga cambios de estado de acuerdo con condiciones dadas.
El primer paso es medir la temperatura de salida del flujo del proceso, esto se hace mediante un sensor (termopar, dispositivo de resistencia térmica, termómetro, termistores, etc.). El sensor se conecta físicamente al transmisor, el cual capta la salida del sensor y la convierte en una señal lo suficientemente intensa como para transmitirla al controlador. El controlador recibe la señal, que está en relación con la temperatura, la compara con el valor que se desea y, según el resultado de la comparación, decide qué hacer para mantener la temperatura en el valor deseado. Con base en la decisión, el controlador envía otra señal al elemento final de control, el cual, a su vez, maneja el flujo de vapor
COMPONENTES BÁSICOS DE TODO SISTEMA DE CONTROL
Los cuatro componentes básicos de todo sistema de control son:
Sensor, que también se conoce como elemento primario.
Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario.
Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.
Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control aunque no siempre. Otros elementos finales de control comúnmente utilizados son las bombas de velocidad variable, los transportadores y los motores eléctricos.
OPERACIONES BÁSICAS PRESENTES EN TODO SISTEMA DE CONTROL
La importancia de estos componentes está en que realizan tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo sistema de control, estas operaciones son:
Medición (M): la medición de la variable que se controla se hace generalmente mediante la combinación de sensor y transmisor (transductor).
Decisión (D): con base en la medición, el controlador decide qué hacer para mantener la variable en el valor que se desea.
Acción (A): como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de control.
TÉRMINOS IMPORTANTES EN EL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESO
Algunos de los términos que se usan en el campo del control automático de proceso son:
Variable controlada, ésta es la variable que se debe mantener o controlar dentro de algún valor deseado. En el ejemplo anterior, la variable controlada es la temperatura de salida del proceso T(t).
Punto de control, es el valor que se desea tenga la variable controlada.
Variable manipulada, es la variable que se utiliza para mantener a la variable controlada en el punto de control (punto de fijación o de régimen, punto de consigna o “set point”); en el ejemplo la variable manipulada es el flujo de vapor.
Perturbación o trastorno, es cualquier variable que ocasiona que la variable de controlada se desvíe del punto de control; en la mayoría de los procesos existe una amplia variedad de perturbaciones, por ejemplo, en el intercambiador de calor descrito anteriormente, las posibles perturbaciones son la temperatura de entrada del proceso, Ti(t), el flujo del proceso, q(t), la calidad de la energía del vapor, las condiciones ambientales, la composición del fluido que se procesa, la contaminación, etc.
Otros términos también importantes son:
Control de Circuito abierto o Lazo abierto u “open loop control system”, se refiere a la situación en la cual se desconecta el controlador del sistema, es decir, el controlador no realiza ninguna función relativa a cómo mantener la variable controlada en el punto de control; otro ejemplo en el que existe control de circuito abierto es cuando la acción (A) efectuada por el controlador no afecta a la medición (M), este caso puede considerarse como una deficiencia fundamental del diseño del sistema de control.
Control de circuito cerrado o de lazo cerrado o “closed loop control system”, se refiere a la situación en la cual se conecta el controlador al proceso; el controlador compara el punto de control (la referencia) con la variable controlada y determina la acción correctiva.
OBJETIVO DEL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESO
“El objetivo del sistema de control automático de proceso es utilizar la variable manipulada para mantener a la variable controlada en el punto de control a pesar de las perturbaciones”.
Aplicaciones de la ingeniería de control
Medicina y bioingeniería. Modelado y regulación de equipo médico y terapéutico. Control de prótesis. Aplicación de utensilios técnicos para la agricultura como base para procesos biológicos en plantas y animales.
Control de vehículos. Autopilotos de barcos y aviones. Sistemas de navegación. Sistema automático de aterrizaje. Regulación de motores y máquinas para el consumo económico de combustibles y de baja emisión. Sistema activo de membranas . Tráfico.
Instrumentación. Comunicación de operaciones. Medición inteligente. Interconexión entre funciones de regulación manual y automática.
Sistema armamentista. Búsqueda y seguimiento del blanco. Dirección de cañones y sistemas de radar. Control de robots.
Ingeniería ambiental. Ventilación y aire acondicionado. Modelos para procesos ecológicos. Control de procesos de saneamiento de desperdicios tóxicos.
Industria del proceso. Regulación y control de procesos dentro de minas, papel, talado de árboles, ingeniería química. Regulado de máquinas en la industria papelera, del metal, columnas de destilación, reactores, etc.
Industria espacial. Lanzamiento de satélites. Control de naves espaciales. Navegación autónoma.
Industria de la producción. Sistemas flexibles de manufactura. Desarrollo de productos para transporte y manejo, así como video o audio y otras áreas de uso doméstico.
Industria de manufactura. Automatización. Control y regulación de máquinas herramientas (CAD/CAM), Robots industriales y manipuladores. Montacargas automáticos. Elevadores