Introduccion control procesos

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INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOS
Asignatura: Control de Procesos 
Especialidad: Ing. Electrónica
Sistema y procesos
	La observación directa de las acciones necesarias para casi todos los procesos no es posible, pero la observación o monitoreo de los parámetros de un proceso, es un aspecto critico para el control. Consecuentemente, los procesos pueden ser monitoreados y controlados a través del uso de varios instrumentos. 
	Los sistemas de instrumentación y su aplicación son con el propósito de observación, monitoreo y control. El sistema tiene las decisiones y las componentes de control necesarias para mantenerse dentro de los propios límites. En la mayoría de los casos, los parámetros de los procesos se refieren a las variables del proceso. Las variables son diferentes de acuerdo a la naturaleza de un proceso específico, pero las cuatro variables mas comunes son temperatura, presión, nivel y fluido.
 
Conceptos Básicos
Control:
Es una metodología para hacer funcionar o comprobar el funcionamiento de una maquina o mecanismo
Controladores:
Son dispositivos tanto eléctricos como electrónicos capaces de seguir un proceso dentro de un sistema, con la finalidad de regular las entradas y salidas de las diversas variables que están presentes al momento ejecutar un proceso de control.
Planta:
Es una estructura física controlada en la cual se realizan conversiones de materia prima en productos ya elaborados. Por lo tanto, podemos decir, que es un sistema complejo de control que posee entradas y salidas determinadas a realizar transformaciones. 
Proceso:
un proceso es una actividad de cierto tipo que contiene un programa, entradas , salidas y estados. El proceso es lo que transforma una entrada en salida, como tal puede ser una máquina, una computadora, un producto químico, el llenado de un tanque etc.
Proceso de Control:
Un proceso industrial comienza con la medición de una variable. Por ejemplo, la temperatura del fluido del proceso fuera del intercambiador de calor. Esta información es utilizada para llevar a cabo una decisión acerca el proceso. Finalmente, se lleva a cabo la acción basada en la decisión tomada.
 
Los mecanismos en un proceso típico, incluyen un sensor, un transmisor un controlador, y un elemento final de control. el sensor mide el valor de la variable controlada, este valor es convertido a una señal estándar por el transmisor. El transmisor envía esta señal al controlador. El controlador compara la señal con el set point (punto de consigna), y basado en la desviación, decide cual es la acción adecuada a realizar.
La señal de salida del controlador posiciona el elemento final de control. el elemento final de control responde a la señal de salida cambiando el valor de la variable manipulada.
Variables:
En todo proceso se tienen diversas variables, las cuales afectan las entradas o salidas del proceso. Temperatura, nivel, flujo, presión, son las variables más comunes en los procesos industriales, las cuales son monitoreadas y controladas por medio de la instrumentación del proceso.
Los instrumentos son diseñados para medir, indicar, controlar o almacenar la información de las variables del proceso, además de manipular mecanismos que controlen diversos estados de un proceso. Algunos procesos son muy similares, pero eso no significa que sean exactamente iguales, por lo tanto, no todos los procesos tienen las mismas necesidades de control.
La medición de una o más variables, hace posible determinar con certeza que sucede en un punto específico del proceso. El sistema de calefacción de una casa es ejemplo de un proceso, el cual tiene una variable controlada, el termostato de la calefacción indica el estado de la variable existente medida y controlada.
	El lazo de control de un proceso es diseñado para tener todas las variables bajo control. El termino utilizado para llamar a la variable que ha sido manipulada, es el de “VARIABLE MANIPULADA”. A la o las variables que han sido controladas con anterioridad se les denomina “VARIABLE CONTROLADA”. 
En términos prácticos, el control es un ciclo continuo de medición, toma de decisión, y realizar una acción. El proceso de control es un lazo diseñado para mantener la variable controlada en el valor de referencia. 
Elemento Final de Control: La posición del elemento final de control está determinada por los controladores o las señales representando el valor de la desviación que es transmitida al controlador.
 El diseño de un elemento final de control está determinado por las necesidades del sistema de control. Las válvulas de control, bombas, relevadores, ventiladores con aspas ajustables, son algunos tipos de elementos finales de control más comunes. Otros tipos de elementos finales de control son: variadores de velocidad, bombas o compresores, y bandas ajustables de velocidad en sistemas de transportación. 
La aplicación es la que dicta que tipo de mecanismo es el adecuado para el control de las variables en el proceso. Los elementos finales de control eléctricos, generalmente son activados por motores o solenoides. Las válvulas solenoides solo tienen dos posiciones: “abierto” o “cerrado”. 
Las válvulas de control operadas neumáticamente son muy comunes en la industria. Muchas válvulas de control son operadas con actuadores neumáticos; cuando el aire a presión es aplicado al diafragma del actuador causa una flexión, esta flexión posiciona la válvula.
Perturbación: es una señal que tiende a afectar la salida del sistema, desviándola del valor deseado.
Sensor: es un dispositivo que convierte el valor de una magnitud física (presión, flujo, temperatura, etc.) en una señal eléctrica en forma analógica o digital, o bien en una señal neumática (presión). También es llamado transductor. Los sensores, o transductores, analógicos envían, por lo regular, señales normalizadas de 0 a 5 voltios, 0 a 10 voltios o 4 a 20 mA. En el caso de señales neumáticas se emplea generalmente el rango 3 a 15 psi
Sistema de control en lazo cerrado: es aquel en el cual continuamente se está monitoreando la señal de salida para compararla con la señal de referencia y calcular la señal de error, la cual a su vez es aplicada al controlador para generar la señal de control y tratar de llevar la señal de salida al valor deseado. También es llamado control realimentado.
Sistema de control en lazo abierto: en estos sistemas de control la señal de salida no es monitoreada para generar una señal de control.
Diagrama de bloques del Sistema de control en lazo cerrado
REGULADOR ON-OFF
Es la regulación más simple y económica, interesante en numerosas aplicaciones en las que puede admitirse una oscilación continua entre dos límites, siempre y cuando se trate de procesos de evolución lenta. Como ejemplos se tienen el control de nivel, de presión o de temperatura.
 Numerosos reguladores incorporan esta función básica, que además ofrece la máxima rapidez de respuesta y en ocasiones se recurre a este tipo de control cuando el error es grande, y se pasa de forma automática a otro tipo de regulación cuando el error se aproxima a cero. 
En la siguiente figura se puede ver un diagrama de bloques y una representación de su funcionamiento: Gracias a la existencia de una histéresis (h), el número de conmutaciones se reduce notablemente. Sin histéresis, el accionador se activaría y desactivaría con demasiada frecuencia (gráfica con línea fina). 
La histéresis es como una oposición a experimentar cualquier cambio y generalmente será un efecto perjudicial. Su respuesta es de tipo todo-nada, de forma que se conecta cuando la variable regulada ha descendido hasta un valor (U-) por debajo del punto de consigna "c" y solo se desconecta cuando llega a otro valor (U+) por encima del punto de consigna. Así se establece un margen de variación en el que mantiene su estado el actuador. 
Acción de control proporcional (P)
 
Para un controlador con acción de control proporcional, la relación entre la salida del controladoru(t) y la señal de error e(t) se obtiene como
 
 u(t) = Kp e(t)
Banda Proporcional 
 
Se define como el inverso de la ganancia proporcional Kp expresado como un porcentaje.
 
Acción de control proporcional-derivativa (PD)
 
Este combina las ventajas del control proporcional más el derivativo, pero se usa poco por no ser capaz de eliminar el error en estado estable. La salida del controlador es proporcional al error y a su derivada así como al tiempo derivativo 
Acción de control proporcional-integral (PI)
 
La acción de control de un controlador proporcional-integral (PI) incluye la constante tiempo integral y la salida de un controlador con esta acción se define mediante
REGULADOR PID
Un regulador proporcional-integral-derivativo o PID tiene en cuenta el error, la integral del error y la derivada del error. La acción de control se calcula multiplicando los tres valores por una constante y sumando los resultados. Los valores de las constantes, que reciben el nombre de constante proporcional, integral y derivativa, definen el comportamiento del regulador. 
SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL
 En relación a las acciones de control, sus características pueden resumirse de la forma:
La acción proporcional cambia la posición de la válvula proporcionalmente a la desviación de la variable de proceso con respecto al punto de consigna.
La acción integral mueve la válvula a una velocidad proporcional a la desviación respecto al punto de consigna.
La acción derivativa corrige la posición de la válvula proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada.
La selección del sistema de control depende generalmente del compromiso entre la calidad del control deseado y el coste del sistema de control. Es decir, debe ser suficiente para para satisfacer la tolerancia requerida en el proceso, pero no debe incluir excesivos refinamientos que lo encarezcan. 
Sin embargo, económicamente hay muy poca diferencia entre un controlador PI y uno PID, en este sentido en el caso de estudiar procesos y sus perturbaciones que no sean bien conocidos puede resultar menos costoso adquirir el controlador PID con el fin de adquirir mayor flexibilidad en el control del proceso. 
Por otro lado existen actualmente instrumentos de tipo modular que admiten la adición de una o más acciones. Los controladores digitales incorporan las tres acciones, de modo que la elección de las mismas es técnica y no económica 
Ejemplos de Sistemas de Control
Dados los siguientes sistemas, identifique las variables controlada y manipulada y explique la filosofía de control
Control de temperatura de un horno
Control de nivel de líquido de un tanque