control de procesos quimicos, Diapositivas de Control de Procesos

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CONCEPTOS BASICOS DE

CONTROL

Ing. Fernando E. Cano Legua

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE

INGENIERÍA QUÍMICA

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE PROCESOS

El control automático estudia los modelos matemáticos de sistemas dinámicos, sus propiedades y el cómo modificar éstas mediante el uso de otro sistema dinámico llamado controlador. El ser humano utiliza constantemente sistemas de control en su vida cotidiana, como en su vista, en su caminar, al conducir un automóvil, al regular la temperatura de su cuerpo y otros. De igual manera, en el mundo tecnológico constantemente se utilizan sistemas de control. Los conocimientos de esta disciplina se aplican para controlar procesos químicos, todo tipo de maquinaria industrial, vehículos terrestres y aeroespaciales, robots industriales, plantas generatrices de electricidad y otros.

En un principio, los sistemas de control se reducían prácticamente a reacciones; éstas eran provocadas mediante contrapesos, poleas, fluidos, etc. A principios del siglo pasado, se comenzó el trabajo con modelos matemáticos más estrictos para realizar el control automático. Se inició por ecuaciones diferenciales; a mediados de siglo, surgió el análisis de la respuesta en frecuencia y lugar geométrico de las raíces. Con el surgimiento de sistemas digitales que posibilitan el análisis en el dominio del tiempo, los sistemas de control moderno se basaron en éste y las variables de estado. Surgió en el último cuarto del siglo XX el control difuso, basado en la lógica difusa y toma de decisiones. El control difuso posee técnicamente la capacidad de tomar decisiones imitando el comportamiento humano y no basándose en estrictos modelos matemáticos. En la actualidad la automática se concibe como la construcción de autómatas, máquinas a las que considera dotadas de una “vida” en relación con el entorno que las rodea

SISTEMA Es un ensamblaje de componentes que proporcionan acciones interrelacionadas entre si, los cuales se caracterizan por poseer parámetros inherentes que los definen y por mostrar condiciones físicas asociadas. A los parámetros de cada elemento se les denomina parámetros del sistema y las condiciones físicas de cada componente cambiantes con el tiempo determinan el estado del sistema en cada momento y se les denominan variables del sistema. Es potencialmente aplicable a un conjunto diverso de fenómenos. Los sistemas se definen en todas las áreas. En control lo analizaremos en el contexto de sistemas físicos que se describen por leyes de las ciencias físicas.

Un sistema de control controla la salida del sistema a un valor o secuencia de valores determinados. El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable llamada controlada próxima a un valor deseado conocido como punto de ajuste “set-point. La variable controlada debe permanecer estable. Un sistema de control puede ser mecánico, neumático, hidráulico, eléctrico, electrónico o por computadora (PLC) El sistema hidroneumático de la figura se basa en el principio de compresibilidad o elasticidad del aire cuando es sometido a presión.

El agua que es suministrada desde el acueducto público u otra fuente (acometida), es retenida en un tanque de almacenamiento; de donde, a través de un sistema de bombas, será impulsada a un recipiente a presión (de dimensiones y características calculadas en función de la red), y que contiene volúmenes variables de agua y aire. Cuando el agua entra al recipiente aumenta el nivel de agua, al comprimirse el aire aumenta la presión, cuando se llega a un nivel de agua y presión determinados, se produce la señal de parada de la bomba y el tan que queda en la capacidad de abastecer la red, cuando los niveles de presión bajan, a los mínimos preestablecidos, se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente.

SISTEMAS DE CONTROL CLÁSICO Existen diversas estrategias de control como; Control de lazo abierto (open loop control), Control con retroalimentación (Feedback), Control en cascada, Control de relación (Ratio control) y Control Predictivo. También se puede encontrar sistemas de control con múltiples lazos los cuales envuelven más de una variable controlada. Estos sistemas se diseñan para satisfacer necesidades especiales de un proceso y su comprensión es básica para entender los sistemas complejos de control, destinados a satisfacer sus requerimientos

1. Sistemas de Control de Lazo Abierto En estos sistemas la variable controlada no se retroalimenta. La conformidad entre el valor alcanzado por la variable controlada y su valor de referencia depende de la calibración, y consiste en establecer una relación entre la variable manipulada y la variable controlada. Estos sistemas solo son útiles en ausencia de perturbaciones.

En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple su función asignada, por no tener una forma de conocer el resultado del control efectuado o salida del proceso. En la práctica el control de lazo abierto sólo se utiliza si la relación entre la entrada y la salida es conocida y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas significativas.

En la figura se muestra un control de concentración de una solución salina donde se puede observar que la salida no modifica la posición de la válvula de la solución concentrada en caso de perturbaciones externas al sistema.

2. Sistema de Control de Lazo Cerrado Se denomina sistema de control de lazo cerrado cuando frente a la presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida del sistema y el valor deseado o “set point”. El principio de funcionamiento consiste en medir la variable controlada mediante los captadores o sensores, convertirla en señal y retroalimentarla para compararla con la señal de entrada de referencia. La diferencia entre ésta y la señal retroalimentada constituye la señal de error , la cual es empleada por la Unidad de Control para calcular la variación a realizar en la variable manipulada y mediante los accionadotes o actuadotes restablecer la variable controlada en su valor de referencia.

Respuesta de los procesos frente a una perturbación Las respuestas de un proceso a una determinada perturbación están casi siempre caracterizadas por dos constantes: una Constante de Tiempo (τ) y una Ganancia Estática (K). LA GANANCIA (K) es la amplificación o atenuación de la perturbación en el interior del proceso y no tiene interferencia con las características de tiempo de respuesta. LA CONSTANTE DE TIEMPO (τ) , es la medida necesaria para ajustar un sistema de una perturbación en la entrada y puede ser expresada como producto de: τ = resistencia x capacidad

VARIABLES DE CONTROL

1. Variable Controlada Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control. Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor se observa, la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta las diversas variable de proceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto la Variable Controlada.