Sistemas de Control

Que es un sistema de control?

El propósito de este capítulo es brindarle una descripción general del tema de los sistemas de control y presentarle los conceptos básicos que necesita para seguir adelante. Se presenta la anatomía básica del bucle de control, las partes y piezas de los bucles de control y cómo están configurados Posicionadores frente a reguladores, los dos tipos básicos de bucles de control Un sistema fly-by-wire frente a un sistema de control de crucero, ejemplos icónicos del posicionador y el regulador una discusión inicial de diagramas de bloques, controladores PID, los controladores más utilizados en la industria.

Ejemplos de sistemas de control utilizados en la industria.
La teoría de control es un campo relativamente nuevo en ingeniería en comparación con temas centrales, como estática, dinámica, termodinámica, etc.

Los primeros ejemplos de sistemas de control se desarrollaron realmente antes de que se comprendiera completamente la ciencia.

Por ejemplo, el gobernador de fly-ball desarrollado por James Watt para controlar el exceso de velocidad de su máquina de vapor se desarrolló por necesidad, mucho antes de que surgiera la ciencia de los controles.

Equipos de sistema de control y baja tensión.

Ejemplo de un sistema de control

Los fly-balls están montados en un eje que gira y es impulsado por el motor a través de la polea que se muestra.

A medida que el motor acelera, las bolas volantes son lanzadas hacia afuera por su fuerza centrífuga.

Este movimiento hacia afuera tira del brazo de palanca hacia abajo, lo que levanta su otro extremo.

Esto está ligado a la válvula de entrada de vapor, que se cierra a medida que los pesos de la bola se mueven más hacia afuera.

Por lo tanto, si el motor intenta funcionar, la válvula de entrada de vapor se cerrará, apagando el fluido que impulsa el motor.

Muchos dicen que el desarrollo del avión por parte de los hermanos Wright fue posible gracias a su comprensión de los controles: eso y el desarrollo de un motor liviano lo suficientemente potente como para impulsar su máquina en el aire.

Su desarrollo de ala deformación les permitió dirigir su avión, algo que había sido imposible hasta ese momento.

Y es cierto que gran parte de la teoría del control se desarrolló con el avión, ya que los aviones se desarrollaron durante las dos guerras mundiales y también a lo largo del siglo XX con fines civiles.

A medida que se desarrollaron los motores a reacción y los aviones se hicieron más grandes, se volvió cada vez más problemático pilotar un avión con solo conexiones mecánicas entre los controles del piloto en la cabina y las superficies en otras partes del avión que lo dirigen por el aire.

Por lo tanto, se desarrolló el sistema fly-by-wire, que cortó esta conexión directa entre los controles de la cabina y las superficies de control del avión.

En un sistema fly-by-wire, los movimientos de la palanca o el yugo y los pedales del timón en la cabina son simplemente detectados por sensores.

Luego se envían señales eléctricas a los actuadores que manejan las superficies apropiadas, y luego estos mueven los alerones, el elevador o el timón para dirigir el avión de acuerdo con las entradas de control realizadas por el piloto.

Por supuesto, la fuerza aplicada por el actuador sobre la superficie de control puede ser muchas veces mayor que la que podría aplicar un ser humano directamente.

Y la fuerza se puede aplicar en un actuador muy distante del piloto. Así que el vuelo por cable trae consigo la ventaja de la amplificación de fuerza y ​​el control remoto.

 

Tipos de sistema de control


En la industria se encuentran sistemas de control de muchos tipos. En una refinería, planta química, planta de procesamiento de alimentos o una instalación de generación de energía, se encuentran circuitos de control para controlar los niveles de los tanques, las presiones de los fluidos en varios lugares de una planta, la potencia de salida, la posición de la válvula, la bomba, el ventilador o la velocidad de la turbina.

Los aviones de combate de hoy en día en realidad están diseñados para ser inestables. Esto les permite maniobrar rápidamente.

Solo pueden volar porque un sistema de control estabiliza su vuelo, haciendo correcciones a una velocidad que ningún piloto podría igualar.

Si el sistema de control de uno de estos aviones fallaba en vuelo, el avión no podría volar y se estrellaría.

Ha habido un enorme crecimiento en el uso del sistema de control en el automóvil moderno.

Incluso ahora existen sistemas drive-by-wire y brake-by-wire, donde, como en el avión, la conexión mecánica o hidráulica directa entre los dispositivos de entrada y lo que controlan ha sido cortada y reemplazada por dispositivos de detección de deseos y luego transmisión. de una señal eléctrica a un actuador para hacer girar las ruedas o aplicar los frenos.

Ejemplos de sistemas de control de un automovil

 
Al igual que el control de un avión inestable, la detección y el control de derrape aprovechan la velocidad de un sistema de control automático. Un conductor que pierde el control de su automóvil puede ser salvado por dicho sistema.

Entra en acción automáticamente al detectar una situación de derrape y aplica las fuerzas de frenado correctas para rescatar el automóvil del derrape ... y lo hace antes de que el conductor se dé cuenta de que un el problema existe.

Además de estas aplicaciones, la teoría de control es útil incluso para analizar sistemas controlados manualmente. En este caso, un operador humano desempeña realmente el papel de controlador.

La percepción y la reacción de un ser humano a las entradas mientras controla manualmente un sistema industrial o un vehículo es en realidad un estudio de los controles.

Sus tiempos de reacción, la retroalimentación de fuerza o el desplazamiento angular de un volante o una palanca operativa, tales problemas entre humanos y máquinas están dentro del ámbito de la teoría del control.

Incluso se han desarrollado modelos matemáticos del controlador humano, de modo que se pueda completar y estudiar un modelo dinámico de un sistema operado manualmente.

Mucho de lo que se ha discutido aquí puede ilustrarse con el ejemplo de un piloto en un avión.

Tomemos el caso de un avión sin un sistema fly-by-wire, con conexiones directas a través de cables y poleas entre los controles de la cabina y las superficies de control, como se encuentra en un pequeño avión de aviación general.

Un experto en controles podría estudiar el efecto de un controlador humano durante alguna maniobra de vuelo o situación crítica.
Este sistema es puramente mecánico con un controlador humano en el circuito.

Pero algunos aviones pequeños también tienen piloto automático, por lo que un ingeniero de controles tuvo que diseñar un sistema que detectara las condiciones de vuelo y operar los controles sin la intervención del piloto.

Aún más complicado es el caso de un avión más grande con un sistema fly-by-wire.

Los ingenieros de controles diseñaron el enlace de detección y reacción entre los controles de la cabina y el movimiento correspondiente de las superficies de control.

Incluso cuando el avión se vuela en modo manual, se activa un sofisticado sistema de control simplemente para detectar el movimiento del piloto de las palancas de control de entrada y los pedales y transmitir el movimiento ordenado a los actuadores que lo provocarán.

Considere ahora el caso de un sistema fly-by-wire con piloto automático activo.

El sistema de control detecta las condiciones de vuelo (altitud, rumbo y velocidad) y opera automáticamente los actuadores adecuados (elevador, alerones, timón y acelerador) para mantener los valores deseados.

Por lo tanto, estas cuatro variantes de hacer la misma tarea, volar un avión, muestran ejemplos cada vez más complejos de sistemas de control modernos.

Anatomía básica del sistema de control.

Los sistemas de control clásicos son los sistemas SISO, entrada única, salida única, a diferencia de los sistemas MIMO, entrada múltiple, salida múltiple, que son más complicados.

sistemas e control

Para un sistema de control, la entrada es la valor deseado, y la salida es el valor real (Ver Figura 1.2).

Un buen ejemplo es un sistema de control de crucero para un automóvil. El usuario ingresa un valor deseado, digamos 65 mph.

Por lo general, uno no escribe esto. Uno conduce el automóvil a esta velocidad manualmente y luego presiona un botón.

El velocímetro detecta la velocidad, la almacena en una computadora a bordo, y luego es el trabajo del control de crucero mantener el automóvil a esta velocidad.

Por lo tanto, cuando todo funciona como debería, el valor real es igual al valor deseado.

En los controles, siempre es bueno hacer las cosas con los pies en la tierra, porque los controles pueden volverse tan teóricos que uno rápidamente pierde de vista lo que está sucediendo o por qué uno está haciendo lo que está haciendo.

Me gusta referirme a estos dos valores como "lo que quieres" versus "lo que tienes". Cuando lo que tienes no es lo que quieres, entonces algo anda mal.

Cuando Sollwert - Istwert ≠ 0, entonces el bucle de control no está haciendo su trabajo y algo está roto o hay que cambiar algo para hacer esta diferencia 0.

En realidad, esta diferencia tiene un nombre, el error.

Eso no es un error en el sentido de un error.

Más bien es un error en el sentido de desviación.

En un sistema de control que funcione perfectamente, el error debería ser 0 y lo que tienes debería ser lo que quieres.

Todos están formados por cinco componentes dispuestos siempre iguales. A veces, no es fácil reconocer estos elementos en un sistema real.

Pero siempre es una buena idea intentarlo.
Esta estructura es fundamental para la teoría de control y representa las funciones subyacentes que se necesitan para que funcione el control de retroalimentación.

 

sistemas de flujo de control

Como probablemente ya haya concluido, la estructura básica de un sistema de control de retroalimentación es un bucle (consulte la Figura 1.3).

Los cinco elementos son:
1. el comparador
2. el controlador
3. el actuador
4. la "planta"
5. el sensor

Analicemos estos componentes uno por uno.

Los presentaré en el orden que sea más fácil de usar para identificarlos en un sistema real. Normalmente, el elemento más fácil de identificar es el sensor.

Para un sistema de control de crucero, el sensor es el velocímetro.

El sensor siempre mide el valor real y luego lo alimenta volver al comparador para comparar con el valor deseado.

El comparador es simplemente el bloque sumador que toma como entrada el valor deseado y el valor medido.

Esa es la naturaleza del control de retroalimentación, y por eso se llama control de retroalimentación: el valor real se retroalimenta al valor deseado y se compara.

Otro ejemplo común es el termostato de su casa.

Un termómetro en su casa mide la temperatura interior y luego la compara con la temperatura deseada que tiene de alguna manera entró en la placa frontal del termostato.

La señal de error es la salida del comparador. También es la entrada al controlador.

Como puede ver, todos estos bloques en el diagrama de bloques de la Figura 2 son bloques SISO y cada salida se convierte en la entrada de otro bloque.

El controlador toma la entrada del comparador, el error, y decide cómo debe responder el sistema.

Si el error es 0, entonces lo que tienes = lo que quieres y el sistema no debería hacer nada.

Si el error no es 0, entonces el controlador debería tomar alguna acción.

Echemos un vistazo al interior del bucle de control, a la anatomía de un bucle de control. Casi todos los lazos de control son iguales.

Como ven ya les puse muchos ejemplos de sistemas de control, espero y me haya explicado bien.

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