Control de procesos / Alfred Roca Cusidó.

CONTENIDO
1 Introducción
1.1 Concepto de sistema
1.2 Concepto de bloque
1.3 Diagrama de bloques
1.4 Función de transferencia o transmitancia
1.5 Sistema controlado
1.6 Control manual en lazo cerrado
1.7 Control automático en lazo cerrado
1.8 Cambios de carga y perturbaciones
1.9 Realimentación
1.10 Álgebra de bloques
1.10.1 Reglas algebraicas
2 La transformada de Laplace
2.1 Qué es y para qué sirve
2.2 Propiedades y teoremas de la transformada de Laplace
2.2.1 Enumeración de las propiedades y teoremas
2.2.2 Aplicación del teorema de la derivación real
2.2.3 Antitransformada de fracciones impropias
2.3 Transmitancia operacional
2.4 Transformación de ecuaciones diferenciales
2.5 Ejemplos de cálculo
2.5.1 Cálculo con condiciones iniciales
2.6 Conversión de una función laplaciana en una ecuación diferencial
3 Variables y parámetros
3.1 Es necesario tipificar
3.2 Variables
Potencial o fuerza impulsora
Flujo o corriente
Carga o cantidad
3.3 Parámetros
Resistencia y conductancia
Capacidad
Inertancia
3.4 Analogías
4 Elementos básicos
4.1 Formas o funciones elementales de excitación
4.1.1 Escalón unitario
4.1.2 Impulso unitario
4.1.3 Rampa unitaria
4.1.4 Función senoidal
4.2 Componentes básicos de un sistema controlado
4.2.1 Componentes activos
4.2.2 Elementos de primer orden
4.2.3 Retardo de primer orden resistencia-capacidad
4.2.4 Retardo de primer orden resistencia-inertancia
4.2.5 Estudio de elementos retardo de primer orden. Metodología de cálculo
4.2.5.a Filtro R-C
4.2.5.b Elemento bulbo de temperatura
4.2.5.c Concentración en un tanque agitado
4.2.5.d Temperatura en un tanque agitado
4.2.5.e Reacción de primer orden
4.2.5.f Nivel de un tanque con restricción de descarga. Linealización de funciones de nivel
4.2.5.g Recipiente con gas a presión provisto de una restricción. Linealización de funciones de sistemas con gases a presión
4.2.5.h Recipiente con gas a presión con dos restricciones
4.2.6 Elemento capacidad pura o integrador
4.2.6.a Nivel en tanque con salida constante
4.2.6.b Masa aislada provista de caldeo eléctrico
4.2.6.c Pistón hidráulico
4.2.7 Elementos ajustables
4.2.7.a Ganancia ajustable. Multiplicador
4.2.7.b Potenciómetro
4.2.7.c Válvula de control
4.2.7.d Bomba centrífuga
4.2.8 Elementos de segundo orden
4.2.8.a Circuito eléctrico R-L-C serie
4.2.8.b Masa suspendida de un resorte con amortiguación
4.2.8.c Sismógrafo
4.2.8.d Acelerómetro
4.2.8.e Dos retardos de primer orden en serie
4.2.8.f Dos sistemas de nivel conectados en serie
4.2.8.g Dos filtros R-C conectados en serie
4.2.8.h Bulbo de temperatura con vaina
4.2.8.i Tanque encamisado
4.2.8.j Dos tanques a presión en serie
4.2.9 Elemento tiempo muerto
4.2.10 Elemento adelanto-retardo
4.2.11 Elemento anticipativo
4.2.12 Controladores
4.2.12. a Proporcional (P)
Banda proporcional
Ganancia
Desviación permanente
Reajuste manual
Ecuación del controlador
4.2.12.b Integral (I)
Ecuación del controlador
Transmitancia operacional
4.2.12.c Proporcional-integral (PI)
Acción integral
Velocidad de reajuste
Repeticiones por minuto
Tiempo integral
Ecuación del controlador
4.2.12.d Proporcional-derivativo (PD)
Acción derivativa
Tiempo derivativo
Ecuación del controlador
4.2.12.e Proporcional-integral-derivativo (PID)
Ecuación del controlador
Transmitancia operacional
Ejecuciones especiales
Nota sobre la señal de error o desviación
5 Respuesta temporal de los componentes básicos
5.1 Sistemática de cálculo
5.1.1 Respuesta al impulso
5.1.2 Respuesta al escalón unitario
5.1.3 Respuesta a la rampa unitaria
5.2 Respuesta de un retardo de primer orden
5.2.1 Respuesta indicial
Práctica n° 5.1
Práctica n° 5.2
5.2.2 Respuesta impulsiva
Práctica n° 5.3
Práctica n° 5.4
5.2.3 Respuesta a la rampa
Práctica n° 5.5
5.3 Respuesta de un retardo de segundo orden
5.3.1 Respuesta indicial
Caso subamortiguado
Caso oscilatorio puro
Caso sobreamortiguado
Caso críticamente amortiguado
Práctica n° 5.6
Práctica n° 5.7
Práctica n° 5.8
5.3.2 Respuesta impulsiva
Caso subamortiguado
Caso oscilatorio puro
Caso sobreamortiguado
Caso críticamente amortiguado
Práctica n° 5.9
5.3.3 Respuesta a la rampa
Caso subamortiguado
Caso oscilatorio puro
Caso sobreamortiguado
Caso críticamente amortiguado
Práctica n° 5.10
5.4 Respuesta de un bloque tiempo muerto
Práctica n° 5.11
5.5 Respuesta de un bloque adelanto-retardo
5.5.1 Respuesta indicial
Caso adelanto
Caso retardo
Práctica n° 5.12
Práctica n° 5.13
5.5.2 Respuesta impulsiva
Práctica n° 5.14
5.5.3 Respuesta a la rampa
Práctica n° 5.15
5.6 Respuesta de un bloque anticipativo
5.6.1 Respuesta indicial
5.6.2 Respuesta impulsiva
5.6.3 Respuesta a la rampa
Práctica n° 5.16
5.7 Respuesta de un controlador P+D
5.7.1 Respuesta indicial
5.7.2 Respuesta a la rampa
Práctica n° 5.17
5.8 Respuesta de un controlador P+I
5.8.1 Respuesta indicial
Práctica n° 5.18
5.8.2 Respuesta a la rampa
Práctica n° 5.19
5.9 Respuesta de un controlador P+I+D
5.9.1 Respuesta indicial
5.9.2 Respuesta a la rampa
Práctica n° 5.20
5.10 Respuesta de un controlador integral
Nota sobre representación gráfica de impulsos
6 Respuesta frecuencial de los componentes básicos
6.1 Conceptos de base
6.1.1 El decibelio
6.1.2 La octava y la década
6.1.3 Las unidades dB/octava y dB/década
6.1.4 Números complejos y vectores
Números complejos conjugados
Operaciones con números complejos
6.1.5 Vectores giratorios (fasores). Ondas senoidales
6.2 Respuesta frecuencial
6.2.1 Obtención de la respuesta frecuencial
6.3 Tipos de representaciones gráficas
6.3.1 Diagrama de Bode
6.3.2 Diagrama de Nyquist
6.3.3 Diagrama de Black
6.4 Determinación de la respuesta frecuencial
6.4.1 Módulo K o constante K
6.4.2 Factores del tipo s
6.4.3 Factores del tipo Ts + 1
Práctica n° 6.1
6.4.4 Factores del tipo T 's' +2ç Ts + 1
Práctica n° 6.2
Práctica n° 6.3
Práctica n° 6.4
6.4.5 Factores del tipo e -T'
Práctica n° 6.5
6.4.6 Elemento adelanto-retardo
Práctica n° 6.6
Práctica n° 6.7
6.4.7 Elemento anticipativo
Práctica n° 6.8
6.4.8 Controlador P
6.4.9 Controlador P+D
Práctica n° 6.9
6.4.10 Controlador P+I
Práctica n° 6.10
6.4.11 Controlador P+I+D
Práctica n° 6.11
Práctica n° 6.12
Práctica n° 6.13
6.4.12 Controlador integral
7 Control automático en lazo cerrado
7.1 Realimentación
7.2 Concepto de estabilidad
7.3 Criterios de optimización
7.4 Respuesta frecuencial y estabilidad
7.5 Margen de ganancia y margen de fase. Estabilidad relativa
7.5.1 Margen de ganancia
7.5.2 Margen de fase
7.5.3 Estabilidad relativa
7.6 Interpretación gráfica de los márgenes de ganancia y de fase
7.6.1 Ejemplo de cálculo de los márgenes de ganancia y de fase
7.7 Criterios de estabilidad
7.7.1 Criterio de estabilidad de Nyquist
7.7.2 Criterio de estabilidad de Bode
7.7.3 Ampliación del criterio de estabilidad de Nyquist
7.8 Respuesta frecuencial en lazo cerrado
7.9 Manejo de las perturbaciones
7.10 Estrategias de control
8 Control en lazo cerrado simple
8.1 Aplicación
8.2 Diagrama de bloques
Práctica n° 8.1
8.3 Simulación y análisis de sistemas controlados
8.3.1 Respuesta generalizada de un lazo con perturbación
Generalización de las funciones de transferencia en lazo cerrado
8.3.2 Control proporcional de un proceso retardo de primer orden
Respuesta frente a cambios en el punto de consigna
Práctica n° 8.2
Respuesta frente a perturbaciones
Práctica n° 8.3
8.3.3 Control proporcional de un proceso formado por dos retardos de primer orden
Respuesta frente a cambios en el punto de consigna
Práctica n° 8.4
Respuesta frente a perturbaciones
Práctica n° 8.5
Práctica n° 8.6
8.3.4 Control proporcional de un proceso formado por tres retardos de primer orden
Práctica n° 8.7
8.3.5 Control en modo integral de un proceso formado por un retardo de primer orden
Práctica n° 8.8
8.3.6 Control proporcional-integral de un proceso formado por un retardo de primer orden
Práctica n° 8.9
8.3.7 Control proporcional-integral de un proceso formado por dos retardos de primer orden
Práctica n° 8.10
8.3.8 Control proporcional-integral de un proceso formado por tres retardos de primer orden
Práctica n° 8.11
8.3.9 Control proporcional-integral-derivativo de un proceso formado por dos retardos de primer orden Práctica n° 8.12
8.4 Efecto de un retardo de tiempo en la medida
Práctica n° 8.13
8.5 Efecto de un tiempo muerto en un sistema
8.5.1 Efecto del tiempo muerto en la medida
Práctica n° 8.14
8.5.2 Efecto del tiempo muerto en el proceso
Práctica n° 8.15
8.5.3 Mejoras que aporta la acción derivativa
Práctica n° 8.16
Práctica n° 8.17
8.6 Efecto de las alinealidades en un sistema
Práctica n° 8.18
9 Controles complejos en lazo cerrado
9.1 Control en cascada
Práctica n° 9.1
Práctica n° 9.2
Práctica n° 9.3
9.1.1 Predicción de la desviación permanente
9.2 Control en adelanto
9.2.1 Ecuaciones del control en adelanto
Práctica n° 9.4
Práctica n° 9.5
Apéndices
A-1 Tabla de transformadas de Laplace
A-2 Escalado de procesos y normalización de variables para el ordenador
1 Introducción
2 Márgenes de operación
3 Normalización de variables
4 Escalado del tiempo
5 Resumen
6 Manejo de los parámetros "Valor de base"
7 Manejo del parámetro "Elevac. /Supres. de cero"
8 Manejo del parámetro "Valor de referencia"
A-3 Composición de la respuesta temporal de un sistema
A-4 Regla de Mason para el cálculo de la transmitancia entre dos puntos de un sistema
A-5 Bibliografía
Anexo 1
Guía resumida del programa
1 Requisitos para uso del programa
1.1 Se requiere
1.2 Notas sobre resolución de pantalla
2 Instalación del programa
2.1 Ficheros de instalación
2.2 Obtención del fichero para la instalación
2.3 Procedimiento para la instalación
3 Arranque del programa
4 Menú principal de Windows
Estructura de los menús
5 Descripción de las principales opciones
5.1 Análisis de componentes básicos
5.2 Simulación de lazos de control
5.3 Menús de opciones
5.3.1 Menú Frecuencial
Diagrama Real
Diagrama de Bode
Diagrama de Nyquist
Diagrama de Black
Todos los diagramas
Marcas de frecuencia
Frecuencia crítica (resonancia)
Frecuencia de cruce de ganancia
Frecuencia de pico de resonancia
5.3.2 Menú Temporal
a) Para Componentes básicos
Impulso
Escalón
Rampa
b) Para Lazos de control
Escalón condiciones iniciales
Rampas programadas
5.3.3 Menú Cambios
Parámetros del componente
Límites de las escalas de frecuencia
Duración de la respuesta temporal
Constantes (Componentes básicos)
Programación de las rampas (Lazos de control)
Modos (Lazos de control)
a) Modo del lazo en la respuesta frecuencial
b) Modo de presentación de la respuesta temporal
Frecuencia de muestreo (Lazos de control)
5.3.4 Menú Miscelán
Borrar pantalla
Vista anterior
Ver Diagrama de bloques
Ver parámetros de los bloques activos (Lazos de c.)
Hacer nulos los bloques (Lazos de control)
5.4 Otros menús
5.4.1 Menú Archivos
Imprimir
Preferencias
5.4.2 Menú Menú general
5.4.3 Menús especiales
Cambios/Color de fondo
Miscelán/Calculador ABACUS
Miscelán/Calculadora de Windows
5.4.4 Menú Información
5.4.5 Menús redundantes
5.4.6 Otras opciones en la ejecución de una Respuesta temporal
6 Control de errores
7 Ficheros del programa
7.1 Ficheros generados en la instalación
7.2 Ficheros generados por el usuario
8 Misceláneos. Peculiaridades de un programa de simulación
8.1 Generalidades
8.2 Tiempo muerto virtual oculto en el sistema
8.3 El problema de las variables discontínuas