Post on 15-Oct-2014
Industri Prozesuen Automatizazioa
Sarrera: Kontrol Sistemak
2
Edukiak Helburuak Irakasgaia eta Titulazioa Kontzeptuak
Definizioak Adibidea: Maila kontrol sistema Prozesuen kontrol sistemak Planta, prozesu eta sistema Sistemaren aldagaiak Kontrol sistemaren aldagaiak
Begizta irekia vs. Begizta itxia Kontrol berrelikatua Begizta irekiko kontrola Begizta itxiko kontrola Kontrol automatikoari lotutako arazoak Kontrol begiztaren osagaiak Adibideak
Kontrol diseinuaren etapak Prozesuen kontrola teknologia digitalaz
3
Helburuak
Sistemaren kontzeptua Kontrol Sistema Begizta irekia vs. Begizta itxia Kontrol Sistema baten osagaiak Eskuz egindako kontrola vs. Kontrol
automatikoa Kontrol Sistema baten etapak
4
Irakasgaia eta Titulazioa "Industria Antolakuntzan Ingeniaritza" titulazioaren helburuak
(http://ingenierosbilbao.com/fondo/euskera/estudios/organizacion_industrial/doc/organizacion_industrial.pdf):
Goi teknikariak enpresa egituraren eta kudeaketaren inguruko alderdi guztiak oso ondo ezagutzea. Formazio horri esker, goi teknikaria gai izango da edozein egituratan eskasak izaten diren baliabideak ahalik eta ondoen aprobetxatzeko: Ekoizpen eta logistika eragiketak zuzentzea Kudeaketa teknikoa eta administratiboa Metodoak arrazionalizatzea, normalizatzea eta hobetzea Kalitatea kudeatzea eta hobetzea Proiektuak planifikatzea eta kudeatzea Finantza eta giza baliabideak kudeatzea Sistemen funtzionamendua eta diseinua hobetzea, metodo kuantitatiboen bidez
5
Irakasgaia eta Titulazioa "Industria Prozesuen Automatizazioa" irakasgaiaren helburuak (
http://ingenierosbilbao.com/fondo/euskera/estudios/organizacion_industrial/doc/organizacion_industrial.pdf):
Ikasleari azaltzea prozesuen automatizazioaren eta industria kontrolaren oinarrizko kontzeptuak. Helburu partzialak:
1. Ikaslea trebatzea oinarrizko sistementzat kontrol-sistemak modelatu,analizatu eta diseinatzeko gai izan dadin. Horregatik, irakasgaiaren parte batean etenik gabeko kontrol-sistema linealak aztertzen dira
2. Ikasleari aurkeztea industria prozesuak automatizatzeko erabiltzen diren gailu eta teknologiak (kontrolagailuak, sentsoreak, aktuadoreak, etab.). Gainera, simulazio praktikek ikasleari laguntzen diote ikasturtean ikasitako kontzeptu guztiak; eta programazio praktikek, berriz, eskalan egindako sistema txikien softwarea gehiago ezagutzea ahalbidetzen dute.
6
Kontzeptuak / Definizioak
Automatika. Aurretik programatutako lan fisiko edo buru-lan baten exekuziorako, gizalangilea sistema artifizial batekin ordezkatu nahi duen diziplina (metodo eta prozedurak). Automatizazioa. Automatikaren erabilera eginkizun zehatz
baterako
Kontrola. Aldagai edo parametro multzo bat denborarekiko eboluzio zehatz bat, aurretik definitutakoa, lortzeko metodoak. Kontrol Sistema Automatikoa Kontrol helburua bete
ahal izateko behar den elementu multzoa.
7
Burmuina Ur-tangaGiharrak /Balbula
Begiak
Kontrolagailua Ur-tangaBalbula
Flotagailua
Eskuz egindako kontrola
Kontrol automatikoa
Flotagailua
Kontrolagailua
Balbula
Langilea
Balbula
Kontzeptuak / Adibidea: Maila kontrol sistema
8
Langileak
Kontrol-Sistema
Planta / Prozesua
Langileek kontsignak ezartzen dituzte (sistemarako nahi den portaera)
Kontrol-Sistemak algoritmoak inplementatzen ditu ezarritako kontsignak bete ahal izateko
Planta edo prozesua da kontrolatzeko sistema
Kontzeptuak / Prozesuen Kontrol-Sistemak
9
Kontzeptuak /Planta, Prozesu eta Sistema Planta. Makina baten atal bat edo makina barruan
elkarrekin funtzionatzen duten elementu multzo bat da, eginkizun zehatz bat burutzeko helburu duena. ‘Planta’ esango diogu kontrolatuko dugun edozein objektu fisikori.
Prozesua. Emaitza edo helburu jakin batera daraman urraskako gertaera edo eragiketen segida. ‘Prozesu’ esango diogu kontrolatuko dugun edozein lanari.
Sistema. Elkarrekin helburu zehatz bat betetzen duten osagai konbinazioa.
SistemaSarrerak Irteerak
Kanpoko perturbazioak
10
Kontzeptuak / Sistemaren aldagaiak Sarrera aldagaiak (ui). Kanpotik sistemari eragiten dioten
aldagaiak. Aukerakoak dira. Irteera aldagaiak (yi). Sistemaren erantzuna deskribatzen
duten aldagaiak. Perturbazioak (zi). Sistemaren irteerari negatiboki eragiten
dioten aldagaiak. Beren eragina kontrolatugabea da. Barrukoak ala kanpokoak izan daitezke.
Egoera aldagaiak (xi). Sistemaren aldagai multzo minimoa. Beren baloreak momentu zehatz batean ezagututa, sistemaren erantzuna kalkula daiteke edozein sarrera edo/eta perturbazio seinalerako.
Sistema
u1u2
un
...
...
y1y2
ym
z1 z1 zp
. . .
x1 x2 xq
. . .
11
Kontzeptuak / Kontrol Sistemaren aldagaiak Kontrol helburua = Erreferentzia. Aurretik ezagututako era
batez aldatzen den magnitudea. Kontrolatutako aldagaia. Neurtu eta kontrolatu egiten den
magnitudea. Normalean kontrolatutako aldagaia sistemaren irteera da.
Eragindako aldagaia = Kontrol ekintza. Kontrolagailuak aldatzen duen magnitude edo baldintza kontrolatutako aldagaian eragiteko. Prozesuaren sarrerak dira.
Kontrolatzea zera da: aldagai kontrolatuaren balorea neurtu eta kontrol ekintza egokia sistemari aplikatu helburuko eta
neurtutako baloreen arteko aldea murrizteko.
Kontrol Sistema
ProzesuaSarrerak Irteerak
Perturbazioak
Kontrolhelburua
12
Begizta Irekia vs. Begizta Itxia
Kontrolagailua ProzesuaSistemaren
Sarrera
SistemarenIrteera
Kanpoko Perturbazioa
Erreferentzia
Kontrolagailua ProzesuaSistemaren
Sarrera
SistemarenIrteera
Kanpoko Perturbazioa
ErreferentziaErrorea
Begizta Irekiko Kontrol Sistema
Begizta Itxiko Kontrol Sistema
13
Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol berrelikatua Kontrol berrelikatua. Irteera eta erreferentzia sarreraren
arteko erlazio jakin bati eusten dio, hauek alderatuz eta euren arteko aldea kontrolagailuari elikatuz.
Eskuz vs. Automatikoki egindako kontrola. Eskuz: Langileak erabakiak hartu eta ekintzak burutu egiten ditu Automatikoki: Gizalangileren bitartekaritza barik erabakiak eta
ekintzak burutzen dira. Osagai hauek behar dira: sentsoreak, transmisoreak, kontrolagailua eta eragingailuak
Kontrolagailua PlantaEragingailua
Sentsorea /Transmisorea
Lortu nahiden balorea
+
-
Errorea
Kontrolekintzak
Kontrolatzekoaldagaia
Neurtutako baloreak
14
Begizta Irekia vs. Itxia / Begizta irekiko kontrola
Plantaren oso eredu zehatza behar da, bestela: Doitasun txikia Fidagarritasun txikia
Ez ditu kontuan izaten plantan egon daitezkeen aldaketak Ez ditu kontuan izaten ingurunean egon daitezkeen aldaketak Adibidea: termostatorik gabeko berokuntza-galdara
Kontrolagailua PlantaSarrera
r(t)Irteera
y(t)
15
Begizta Irekia vs. Itxia / Begizta itxiko kontrola
Irteeraren berrelikadura sartzeko osagaiak: Sentsoreak, irteera seinalea neurtzeko Konparatzailea: Irteera eta sarrera seinaleen arteko
aldea kalkulatzen du Sistemaren portaera hobea da…:
Perturbazioen aurrean Plantaren eredua oso zehatza ez denean Sarrera seinalea denborarekiko aldakorra denean
Adibidea: termostatoa duen berokuntza-galdara
Kontrolagailua PlantaEragingailua
Sentsorea
Sarrerar(t)
Irteeray(t)
+
-
Errorea
16
Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol automatikoari lotutako arazoak Prozesua desegonkor dezake Egoera iraunkorreko erroreak ager daitezke Kontrol sistema egokien diseinurako kontuan izan:
Portaera dinamikoa Abiadura Doitasuna prezioa
Kontrol ekintzak aukeratu: Kontrol sekuentziala Kontrol algoritmoak (PIDak, iragartze-kontrol, kontrol
moldakorra, sare neuronalak, fuzzy kontrola, etc) Erabiliko den teknologia aukeratu:
Sentsoreak eta eragingailuak Erreguladorea (mikro-kontrolagailuak, PLCak,
ordenagailuak,…)
17
Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol begiztaren osagaiak Sentsoreak
Dispositibo hauek neurtzen dituzte seinaleen baloreak: kontrolatu beharreko aldagaiak, perturbazioak, aldagai laguntzaileak (neurtzeko zailak diren beste batzuk ezagutzeko),…
Neurketa egiteko fenomeno fisiko batez baliatzen dira, fenomeno honen magnitudea neurtzen denarekin lotuta dagoelarik Tenperatura: termopareak Indarra: eraztun dinamometrikoak Emaria: xafla zulatuak Posizioa: kodetzaileak
Transmisoreak. Fenomeno fisikoaren magnitudea seinale estandar bihurtzen du Seinale elektrikoa: Analogikoa (4-20 mA) (0-10V) – Digitala (10..12 bits) Seinale pneumatikoa (3-15 psi)
18
Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol begiztaren osagaiak Kontrolagailuak
Aldagai neurtuaren seinalea jasotzen du eta kontrol ekintza kalkulatzen du programatutako algoritmoaren arabera
Irteera eragingailuari bidaltzen zaio
19
Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol begiztaren osagaiak Eragingailuak
Prozesu aldagaia manipulatzen du kontrolagailuak kalkulatutako ekintzaren arabera
Kontrol seinalea magnitude estandar batean heltzen zaio Motak:
Emaria: Balbulak Posizioa: Zilindroak Elektrikoak: Erreleak Hidraulikoak: Ponpak
20
Begizta Irekia vs. Itxia / Adibidea: Begizta irekiko sistema
Ur-tangaren prozesua Ur-tanga bati heltzen zaio Qin baloreko emaria eta Qout
ateratzen da. Egoera iraunkorrean (orekara helduta) Qin=Qout eta tangaren ur-maila h da.
Sistemaren parametroak ezagututa (fluidoaren dentsitatea, tagaren zabalera, Qin,…) h ur-mailak balore jakin bat izango du
Begizta irekiko sistema Kontrol helburua. Ur-maila H balorea
izatea Kalkulatu Qin egoera iraunkorrean h=H
izateko Arazoak: Zer gertatuko da Qin emariak
perturbazio txikiak izaten baditu?
21
Begizta Irekia vs. Itxia / Adibidea: Begizta itxiko sistema Eskuz egindako kontrola
Langileak alderatzen du ur-tangaren maila eta helburukoa h > H balbula ireki h = H ezer ez egin h < H balbula itxi
Kontrol automatikoa Sentsorea h neurtzeko Kontrolagailua (alderatu eta
erabaki) Eragingailua (prozesuarengan
eragiteko)
22
Kontrol diseinuaren etapak Kontrol helburuak definitu
Egonkortasuna ziurtatu, funtzionamendu hoberena lortu,… Neur daitezkeen eta manipula daitezkeen aldagaiak identifikatu
Kontrol helburuko aldagaiak, gutxienez, neurtu behar dira Batzuetan perturbazio aldagaiak ere neurtzen dira. Batzuetan aldagai lagungarriak ere
kontrol algoritmo aurreratuak inplementatzeko Aukeratutako aldagaiek baldintzatzen dute lor daitekeen kontrol kalitatea
Kontrol sistemaren konfigurazioa Begizta sinpleak, begizta kateatuak,… Bikotekatu kontrolatzeko eta manipulatzeko aldagaiak
Kontrol eta monitore instrumentazioaren espezifikazioa Neurketa instrumentuak (sentsore eta transmisoreak) Kontrolagailuak Eragingailuak
Kontrolagailuen diseinua Kontrolagailuak sintonizatu behar dira (parametro egokienak aukeratu) eta horretarako
prozesuaren portaera dinamikoa ezagutu behar da Sistemaren EREDU sinple baten bitartez ikasten da benetako prozesuaren portaera
dinamikoa Ereduak sortzeko prozesuaren azpiko fenomeno fisiko-kimikoen ezagutza beharrezkoa
da.Fenomeno hauek erlazionatzen dituzte prozesuaren aldagaiak
23
MIrabiagailuaren
motorra
Berogailua
Berogailuarenerrelea
~Maila-sentsore 1
Maila-sentsore 3
Maila-sentsore 2
B2B1
B3
Tenperaturasentsorea
Ireki B1 maila 2 izan arte
Ireki B2 maila 3 izan arte
Nahastu 90 s Berotu tenperatura
75 ºC izan arte Itxaron
tenperatura 25 ºC izan arte
Ireki B3 maila 1 izan arte
Hasierara bueltatu
Adibidea: Kontrol sistema sekuentziala
24
qent(t)
qsal(t)
KontrolSistemaErreferentzia
h (t)
Berosarrera
Tªsentsorea
T (t)
Mailasentsorea
Adibidea: Aldagai anitzeko kontrol sistema
25
A/D eta D/A bihurtzaileen beharra Atzerapenak gehitzen dira (bihurketa denborak,
kalkuluak,…) Kontrol askoz konplexuagoak egin daitezke Kontrolagailu ezberdinen arteko komunikazioa
errazten da komunikazio sareen bidez
Sarrera
IrteeraOrdenagailua PlantaEragingailua
SentsoreaA/D
bihurtzailea
D/Abihurtzailea
Prozesu kontrola teknologia digitalaz
Sarreraren amaiera
27
Entornos industriales
Proceso defabricación
Energía
Mat. Primas
Pagos
Inv. CapitalSalarios y beneficios Trabajo
Productos
Pagos
Proveedores Clientes
28
Tipos de SistemasClasificación de Sistemas
N o c a u s a l e s
E s t á t i c o s
E s t o c á s t i c o s
P a r á m e t r o s d i s t r i b u i d o s
N o l i n e a l e s
V a r i a n t e s e n t i e m p o
D i s c r e t o s C o n t i n u o s
I n v a r i a n t e s e n t i e m p o
L i n e a l e s
P a r á m e t r o s c o n c e n t r a d o s
D e t e r m i n í s t i c o s
D i n á m i c o s
C a u s a l e s
T i p o s d e S i s t e m a s
29
Proceso
Comparación
Modelo
Fallos
Entradasdesconocidas
(perturbaciones)
Entradasconocidas(control)
Salidas reales Salidas estimadas
Residuos
ModeladoSistema Objeto, dispositivo o ente donde se manifiesta una relación de tipo causa-efecto
Modelo Matemático Dado que no es posible conocer las propiedades y el comportamiento de un sistema físico,
es necesario recurrir a un modelo matemático. El análisis del modelo matemático permitirá conocer las propiedades del sistema físico El modelo matemático se obtiene a partir de un conjunto de aproximaciones y
simplificaciones
30
Modelos matemáticos
Uso de modelos en todas las ramas de la ingeniería (Ej: Modelos a escala)
Estudian las características de un sistema real
Modelos físicos No representan la totalidad del sistema Modelos matemáticos (Una ecuación
diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales)
Simulan el comportamiento del sistema (Analíticamente o con un computador)
Se distingue el comportamiento en régimen transitorio y en régimen permanente
Simplicidad vs. Precisión Sistemas lineales, invariantes en el
tiempo y causales
31
ModeloModelo El concepto de modelo es central en la teoría de sistemas, ya que a partir de él es posible conocer las propiedades del sistema y abordar el diseño del controlador.
Tipos de Representaciones 1 ecuación diferencial de orden n n ecuaciones diferenciales de primer orden relación algebraica (aplicando la transformada de Laplace)
Atributos Precisión: refleje el comportamiento del sistema en el aspecto buscado Utilidad: susceptible de ser manejado con un cierto grado de facilidad
Clasificación Modelos Axiomáticos: se obtienen a partir de las ecuaciones físico-matemáticas del
sistema Modelos Empíricos: representan el conocimiento del sistema a través de relaciones
entrada-salida. Corresponde con la clásica representación mediante una caja negra
32
Modelado de plantas (Suspensión automóvil)
Masa Automóvil
(M/4)
P
m
bk
Xo
Xi
m xob xo−x i k xo−x i =0
33
Diferentes modelos para la suspensión
Masa Automóvil
(M/4)
P
m
bk
Xo
Xi
m xob xo− x i k xo−x i =0
Masa Automóvil
P
m1
bk1
Y
U
Rueda +amortiguador
m2
k2
X
m2 yb y−x k2 y−x =0m1 xb x−y k2 x−y k1 x−u t =0
Modelo 1
m1m2d4 ydt 4 bm1m2
d3 ydt 3 [k1 m1m1m2 k2 ]
d2 ydt2
k1bdydt
k1k2 y=k1 bdudt
k1 k2 u
Modelo 2
34
Modelado de plantas (Horno)
dθdt
B A θ=B HB A θa
Resistencia
Temperatura θ
Temperaturaambiente θa
Pérdida de calor= A (θ - θa) Entrada de
calor= H
35
Lazo abierto vs. Lazo Cerrado – Ejemplo II
Intercambiador de Calor
El sistema permite calentar un fluido mediante vapor de condensación
Objetivo: Calentar el fluido de temperatura Ti a temperatura TR
Funcionamiento: suponiendo que no hay pérdidas
Necesidad de un Sistema de Control Existen variables de proceso que pueden variar. Como resultado, T(t) se desviará de TR
Objetivo de Control Mantener T a TR independientemente de variaciones que puedan existir en Te, q(t), etc.
Variable controlada: T(t) Variable manipulada: Fv(t)Variable de referencia: TR Variable de perturbación: Te(t), q(t)
Energía cedida por el vapor = Energía absorbida por el fluido
36
Lazo abierto vs. Lazo Cerrado – Ejemplo II
Sistema en Lazo Cerrado
Control Manual
Control Automático
37
Intercambiador de calor
38
Intercambiador de calor: lazo abierto
39
Intercambiador de calor: lazo cerrado
40
Intercambiador de calor: Control anticipativo
41
Tm
Var. controladaPosición Valvula
(mA)
PerturbaciónTo (ºC)
u yp
Modelo ProcesoReal
(mA/mA)
To yd
Modelo PerturbaciónReal
(mA/ºC)
ªC
SISTEMA en LAZO ABIERTO
Tr – Referencia – 1º C
To – Perturbación – 3 º Ca los 5
s.
Estrategias de Control
42
Tm
Var. controladaPosición Valvula(mA)
PerturbaciónTo (ºC)
PID
PI
u yp
Modelo ProcesoReal
(mA/mA)
To yd
Modelo PerturbaciónReal
(mA/ºC)
ªCEstrategias de
Control
SISTEMA en LAZO CERRADO:
Control Realimentado PI
Tr – Referencia – 1º C
To – Perturbación – 3 º Ca los 5
s.
43
SISTEMA EN LAZO CERRADO: Control
realimentado y Control anticipativo
Tm
Var. controladaPosición Valvula
(mA)
PerturbaciónTo (ºC)
PID
PI
u yp
Modelo ProcesoReal
(mA/mA)
To yd
Modelo PerturbaciónReal
(mA/ºC)To uff
Controlanticipativo
ªC
Estrategias de Control
SISTEMA en LAZO CERRADO:
Control Realimentado PIControl Anticipativo
Tr – Referencia – 1º C
To – Perturbación – 3 º Ca los 5
s.
44
Sistema de Control en Lazo Cerrado
Controlador ProcesoSalida
del proceso
Perturbaciónexterna
refe
renc
ia
erro
rSelector de referencia
Accionador
Sensores
Señalde mando
salid
a de
con
trol
varia
ble
man
ipul
ada
variable realimentada
r e u
Perturbaciónexterna
zz
y
45
Sistema de control multivariable - Estación eléctrica
~
Controlador de presión
>
PT
Control de nivel
Caldera
BombaVálvula deadmisión
Turbina Generador
A la red eléctrica
Frecuencia
Sensor de presión Válvula de
regulación del vapor
Vapor
Agua