PRACTICAS

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INDICE DE CIR. HIDR. Y NEU.

1.4 Ventajas y desventajas de los sistemas hidraulicos y neumaticos.

Ventajas y desventajas de los sistemas hidráulicos y neumáticos

La página mitecnologico.com menciona las ventajas y desventajas entre estos sistemas, a continuación se presentan:

Ventajas sistemas neumáticos:

Abundancia: El aire es ilimitado.

Almacenaje: El aire es almacenado y comprimido en acumuladores o tanques, puede ser transportado y utilizado donde y cuando se precise.

Temperatura: El aire es fiable, incluso a temperaturas extremas.

Limpieza: Cuando se produce escapes de aire no son perjudiciales y pueden colocarse en las líneas, en depuradores o extractores para mantener el aire limpio.

Elementos: el diseño y constitución de los elementos es fácil y de simple conexión.

VELOCIDAD: se obtienen velocidades muy elevadas en aplicación de herramientas de montaje (atornilladores, llaves, etc.).

REGULACIÓN: las velocidades y las fuerzas pueden regularse de manera continua y escalonada.

SOBRECARGAS: se puede llegar en los elementos neumáticos de trabajo hasta su total parada, sin riesgos de sobrecarga o tendencia al calentamiento.

DESVENTAJAS DE LOS CIRCUITOS NEUMATICOS

PREPARACIÓN: para la preparación del aire comprimido es necesario la eliminación de impurezas y humedades previas a su utilización.

OBTENCIÓN: la obtención del aire comprimido es costosa.

RIUDOS: el aire que escapa a la atmósfera produce ruidos bastante molestos. Se superan mediante dispositivos silenciadores.

VELOCIDAD: debido a su gran compresibilidad, no se obtienen velocidades uniformes en, los elementos de trabajo.

COSTE: es una fuente de energía cara.

VENTAJAS DE LOS CIRCUITOS HIDRÁULICOS

REGULACIÓN: las fuerzas pueden regularse de manera continua.

SOBRECARGAS: se puede llegar en los elementos hidráulicos de trabajo hasta su total parada, sin riesgos de sobrecarga o tendencia al calentamiento.

FLEXIBILIDAD: el aceite se adapta a las tuberías y transmite fuerza como si fuera una barra de acero.

ELEMENTOS: los elementos son REVERSIBLES además de que se pueden FRENAR en marcha.

SIMPLICIDAD: hay pocas piezas en movimiento como por ejemplo: bombas, motores y cilindros.

MULTIPLICACIÓN DE FUERZAS: visto en la prensa hidráulica.

DESVENTAJAS DE LOS CIRCUITOS HIDRÁULICOS

VELOCIDAD: se obtienen velocidades bajas en los actuadores.

LIMPIEZA: en la manipulación de los aceites, aparatos y tuberías, como el lugar de la ubicación de la maquina; en la practica hay muy pocas maquinas hidráulicas que extremen las medidas de limpieza.

ALTA PRESION: exige un buen mantenimiento.

COSTE: las bombas, motores, válvulas proporcionales y servo válvulas son caras.

La automatización de un proceso frente al control manual del mismo proceso, brinda ciertas ventajas y beneficios de orden económico, social, y tecnológico, pudiéndose resaltar las siguientes:

· Se asegura una mejora en la calidad del trabajo del operador y en el desarrollo del proceso, esta dependerá de la eficiencia del sistema implementado.

· Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.

· Existe una reducción en los tiempos de procesamiento de información.

· Flexibilidad para adaptarse a nuevos productos y disminución de la contaminación y daño ambiental.

· Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.

· Aumento en la seguridad de las instalaciones y la protección a los trabajadores


Desventajas de los Sistemas Automatizados

· Gran capital
· Decremento severo en la flexibilidad
· Incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación.

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 Simplicidad frente a exactitud.

Al obtener un modelo hay que llegar a un compromiso entre la simplicidad del mismo y laexactitudel resultado de su análisis. Los resultados obtenidos del análisis son válidos solamente

en la extensión en que el modelo se ajuste a un determinado sistema físico.

La rapidez con que una computadora digital puede realizar operaciones aritméticas, permite

formular modelos más complejos que poseen un mayor desarrollo de ecuaciones, obteniendo un

modelo matemático más exacto y completo del sistema real. Sin embargo, si la exactitud no es un

requerimiento esencial en el diseño es preferible obtener un modelo matemático más simple y

más fácil de trabajar matemáticamente. A medida que simplificamos el modelo, perdemos

exactitud. No siempre se pude lograr una mayor simplificación, por Ej., hay ciertos sistemas que

exhiben una fuerte característica no lineal, que no puede ser despreciada.

En general, al resolver un problema nuevo, se desea primeramente construir un modelo

simplificado, para poder tener una idea general de la solución. Luego se puede armar un modelo



matemático más complejo, y usarla para un análisis más completo.

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Elementos principales para proyectos de sistemas de control.

Los sistemas de control, se aplican en esencia para los organismos vivos, las máquinas y las organizaciones. Estos sistemas fueron relacionados por primera vez en 1948 por NorbertWieneren su obra Cibernética y Sociedad con aplicación en la teoría de los mecanismos de control. Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados.

Hoy en día los procesos de control son síntomas del proceso industrial que estamos viviendo. Estos sistemas se usan típicamente en sustituir un trabajador pasivo que controla una determinado sistema ( ya sea eléctrico, mecánico, etc. ) con una posibilidad nula o casi nula de error, y un grado de eficiencia mucho más grande que el de un trabajador. Los sistemas de control más modernos en ingeniería automatizan procesos en base a muchos parámetros y reciben el nombre de controladores de automatización programables (PAC).

Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos:
1. Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.
2. Ser eficiente según un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales.
Necesidades de la supervisión de procesos
Limitaciones de la visualización de los sistemas de adquisición y control.
Control vs Monitorización
Control software. Cierre de lazo de control.
Recoger, almacenar y visualizar información.
Minería de datos.
Características de un Sistema de Control




1. Señal de Corriente de Entrada: Considerada como estímulo aplicado a un sistema desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una respuesta específica.

2. Señal de Corriente de Salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada.

3. Variable Manipulada: Es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la respuesta deseada. Es decir, se manipula la entrada del proceso.

4. Variable Controlada: Es el elemento que se desea controlar. Se puede decir que es la salida del proceso.

5. Conversión: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen en la variable.

6. Variaciones Externas: Son los factores que influyen en la acción de producir un cambio de orden correctivo.

7. Fuente de Energía: Es la que entrega la energía necesaria para generar cualquier tipo de actividad dentro del sistema.

8. Retroalimentación: La retroalimentación es una característica importante de los sistemas de control de lazo cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables de estado. Dependiendo de la acción correctiva que tome el sistema, este puede apoyar o no una decisión, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentación negativa; si el sistema apoya la decisión inicial se dice que hay una retroalimentación positiva.

9. Variables de fase: Son la variables que resultan de la transformación del sistema original a la forma canónica controlable. De aquí se obtiene también la matriz de controlabilidad cuyo rango debe ser de orden completo para controlar el sistema.

La Ingeniería en los Sistemas de Control






Artículo principal: Ingeniería automática.

Los problemas considerados en la ingeniería de los sistemas de control, básicamente se tratan mediante dos pasos fundamentales como son:

1. El análisis.

2. El diseño.

En el análisis se investiga las características de un sistema existente. Mientras que en el diseño se escogen los componentes para crear un sistema de control que posteriormente ejecute una tarea particular. Existen dos métodos de diseño:

1. Diseño por análisis.

2. Diseño por síntesis.

El diseño por análisis modifica las características de un sistema existente o de un modelo estándar del sistema y el diseño por síntesis en el cual se define la forma del sistema a partir de sus especificaciones.

La representación de los problemas en los sistemas de control se lleva a cabo mediante tres representaciones básicas o modelos:

1. Ecuaciones diferenciales, integrales, derivadas y otras relaciones matemáticas.

2. Diagramas en bloque.

3. Gráficas en flujo de análisis.



Los diagramas en bloque y las gráficas de flujo son representaciones gráficas que pretenden el acortamiento del proceso correctivo del sistema, sin importar si está caracterizado de manera esquemática o mediante ecuaciones matemáticas. Las ecuaciones diferenciales y otras relaciones matemáticas, se emplean cuando se requieren relaciones detalladas del sistema. Cada sistema de control se puede representar teóricamente por sus ecuaciones matemáticas. El uso de operaciones matemáticas es patente en todos los controladores de tipo P, PI y PID, que debido a la combinación y superposición de cálculos matemáticos ayuda a controlar circuitos, montajes y sistemas industriales para así ayudar en el perfeccionamiento de los mismos.

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INDICE DE ING. DE CONTROL

 Ejemplos de sistemas de control

La Ingeniería de control es una disciplina que se focaliza en modelizar matemáticamente una gama diversa de sistemas dinámicos y el diseño de controladores que harán que estos sistemas se comporten de la manera deseada. Aunque tales controladores no necesariamente son electrónicos y por lo tanto la ingeniería de control es a menudo un subcampo de otras ingenierías como la mecánica.

Dispositivos tales como circuitos eléctricos, procesadores digitales y los microcontroladores son muy utilizados en todo sistema de control moderno. La ingeniería de control tiene un amplio rango de aplicación en áreas como los sistemas de vuelo y de propulsión de los aviones de aerolíneas, militares, en la carrera espacial y últimamente en la industria automotriz.

El objetivo del control automático es poder manejar con una o más entradas (o referencia), una o más salidas de una planta o sistema, para hacerlo, la idea más primitiva es colocar entre la referencia y la planta, un controlador que sea el inverso de la función de transferencia de la planta, de tal manera que la función de transferencia de todo el sistema (la planta más el controlador), sea igual a uno; logrando de esta manera que la salida sea igual a la entrada; esta primera idea se denomina control en la lazo abierto. Un ejemplo clásico de control en lazo abierto es una lavadora de ropa ya que ésta funciona durante un ciclo predeterminado sin hacer uso de sensores.

Los sistemas de control son agrupados en tres tipos básicos:1. Hechos por el hombre. Como los sistemas eléctricos o electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento. Un claro ejemplo de este será un termostato, el cual capta consecutivamente señales de temperatura. En el momento en que la temperatura desciende o aumenta y sale del rango, este actúa encendiendo un sistema de refrigeración o de calefacción.

1.1 Por su causalidad pueden ser: causales y no causales. Un sistema es causal si existe una relación de causalidad entre las salidas y las entradas del sistema, más explícitamente, entre la salida y los valores futuros de la entrada.

1.2 Según el número de entradas y salidas del sistema, se denominan:por su comportamiento

1.2.1 De una entrada y una salida o SISO (single input, single output).

1.2.2 De una entrada y múltiples salidas o SIMO (single input, multiple output).

1.2.3 De múltiples entradas y una salida o MISO (multiple input, single output).

1.2.4 De múltiples entradas y múltiples salidas o MIMO (multiple input, multiple output).

1.3 Según la ecuación que define el sistema, se denomina:

1.3.1 Lineal, si la ecuación diferencial que lo define es lineal.

1.3.2 No lineal, si la ecuación diferencial que lo define es no lineal.

1.4 Las señales o variables de los sistema dinámicos son función del tiempo. Y de acuerdo con ello estos sistemas son:

1.4.1 De tiempo continuo, si el modelo del sistema es una ecuación diferencial, y por tanto el tiempo se considera infinitamente divisible. Las variables de tiempo continuo se denominan también analógicas.

1.4.2 De tiempo discreto, si el sistema está definido por una ecuación por diferencias. El tiempo se considera dividido en períodos de valor constante. Los valores de las variables son digitales (sistemas binario, hexadecimal, etc), y su valor solo se conoce en cada período.

1.4.3 De eventos discretos, si el sistema evoluciona de acuerdo con variables cuyo valor se conoce al producirse un determinado evento.

1.5 Según la relación entre las variables de los sistemas, diremos que:

1.5.1 Dos sistemas están acoplados, cuando las variables de uno de ellos están relacionadas con las del otro sistema.

1.5.2 Dos sistemas están desacoplados, si las variables de ambos sistemas no tienen ninguna relación.

1.6 En función de la evolución de las variables de un sistema en el tiempo y el espacio, pueden ser:

1.6.1 Estacionarios, cuando sus variables son constantes en el tiempo y en el espacio.

1.6.2 No estacionarios, cuando sus variables no son constantes en el tiempo o en el espacio.

1.7 Según sea la respuesta del sistema (valor de la salida) respecto a la variación de la entrada del sistema:

1.7.1 El sistema se considera estable cuando ante cualquier señal de entrada acotada, se produce una respuesta acotada de la salida.

1.7.2 El sistema se considera inestable cuando existe por lo menos una entrada acotada que produzca una respuesta no acotada de la salida.

1.8 Si se comparan o no, la entrada y la salida de un sistema, para controlar esta última, el sistema se denomina:

1.8.1 Sistema en lazo abierto, cuando la salida para ser controlada, no se compara con el valor de la señal de entrada o señal de referencia.

1.8.2 Sistema en lazo cerrado, cuando la salida para ser controlada, se compara con la señal de referencia. La señal de salida que es llevada junto a la señal de entrada, para ser comparada, se denomina señal de feedback o de retroalimentación.

1.9 Según la posibilidad de predecir el comportamiento de un sistema, es decir su respuesta, se clasifican en:

1.9.1 Sistema determinista, cuando su comportamiento futuro es predecible dentro de unos límites de tolerancia.

• 1.9.2 Sistema estocástico, si es imposible predecir el comportamiento futuro. Las variables del sistema se denominan aleatorias.

• 2. Naturales, incluyendo sistemas biológicos. Por ejemplo, los movimientos corporales humanos como el acto de indicar un objeto que incluye como componentes del sistema de control biológico los ojos, el brazo, la mano, el dedo y el cerebro del hombre. En la entrada se procesa el movimiento y la salida es la dirección hacia la cual se hace referencia.
• 3. Cuyos componentes están unos hechos por el hombre y los otros son naturales. Se encuentra el sistema de control de un hombre que conduce su vehículo. Éste sistema está compuesto por los ojos, las manos, el cerebro y el vehículo. La entrada se manifiesta en el rumbo que el conductor debe seguir sobre la vía y la salida es la dirección actual del automóvil. Otro ejemplo puede ser las decisiones que toma un político antes de unas elecciones. Éste sistema está compuesto por ojos, cerebro, oídos, boca. La entrada se manifiesta en las promesas que anuncia el político y la salida es el grado de aceptación de la propuesta por parte de la población.
• 4. Un sistema de control puede ser neumático, eléctrico, mecánico o de cualquier tipo, su función es recibir entradas y coordinar una o varias respuestas según su lazo de control (para lo que está programado).
• 5. Control Predictivo, son los sistemas de control que trabajan con un sistema predictivo, y no activo como el tradicional ( ejecutan la solución al problema antes de que empiece a afectar al proceso). De esta manera, mejora la eficiencia del proceso contrarrestando rápidamente los efectos.

Las desventajas que tiene el control por lazo abierto son:

-Jamás se conoce la planta, a lo más se puede conocer un modelo aproximado, por lo que no se puede lograr el inverso perfecto.
-No se puede usar para controlar plantas inestables.
-No compensa perturbaciones en el sistema.
-Si la planta tiene grado relativo mayor que cero, no se puede crear un controlador que la invierta, ya que no se puede hacer una función de transferencia con grado menor que cero.
-Es imposible invertir perfectamente una planta, si esta tiene retardos, ya que su inverso sería un adelanto en el tiempo (se debería tener la capacidad de predecir el futuro).

Una idea más avanzada, y más ampliamente implementada, es el concepto de feedback o realimentación, en que se usa la medición de la salida del sistema, como otra entrada del mismo, de tal forma que se puede diseñar un controlador que ajuste la actuación para variar la salida y llevarla al valor deseado. Por ejemplo el cuerpo humano realiza un control por realimentación para mantener la homeostasis, tiene sensores para cada elemento en el cuerpo y si es que se detecta una cantidad anormal, el cuerpo tiene sistemas para compensarlo (estos sistemas serían el controlador), los que produce una actuación (cierra válvulas, produce más sustancia, etc) hasta que los sensores le indican al cuerpo que ya se alcanzó el equilibrio; otro ejemplo : en unautomóvil con control de crucero la velocidad se sensa y se retroalimenta continuamente al sistema que ajusta la velocidad del motor por medio del suministro de combustible al mismo, en este último caso la salida del sistema sería la velocidad del motor, el controlador sería el sistema que decide cuanto combustible echar de acuerdo a la velocidad y la actuación sería la cantidad de combustible suministrado.

Las ventajas que tiene el control por retroalimentación son:

-Puede controlar sistemas inestables
-Puede compensar perturbaciones
-Puede controlar sistemas incluso si estos tienen errores de modelado

Desventajas:



-El uso de sensores hace más caro (en dinero) el control
-Se introduce el problema del ruido, al hacer la medición

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Aproximación lineal de sistemas nolineales (linealización).

Aproximaciones lineales de Sistemas Físicos Sistema Lineal: Se define en términos de su excitación y
Respuesta Un sistema lineal satisface las Propiedades de: Superposición Homogeneidad Sistemas No Lineales

Ejemplos

y = x2 No satisface la propiedad de superposición



y = mx+b No cumple principio de homogeneidad

Aproximación Lineal de Sistemas

Matemáticos No Lineales

Método

Series de Taylor para obtener aproximación

Considerando un sistema dinámico donde:

x(t): excitación

y(t) : respuesta

Las variables se relacionan por

y(t)=f(x(t))

Punto de operación normal

x0, y0



Considerando que en el rango de interés la función es continua, por tanto puede emplearse una expansión en Serie de Taylor en el punto de operación x0

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Sistemas no lineales.

En matemáticas, los sistemas no lineales representan sistemas cuyo comportamiento no es expresable como la suma de los comportamientos de sus descriptores. Más formalmente, un sistema físico, matemático o de otro tipo es no lineal cuando las ecuaciones de movimiento, evolución o comportamiento que regulan su comportamiento son no lineales. En particular, el comportamiento de sistemas no lineales no está sujeto al principio de superposición, como lo es un sistema lineal.

La linealidad de un sistema permite a los investigadores hacer ciertas suposiciones matemáticas y aproximaciones, permitiendo un cálculo más sencillo de los resultados. Ya que los sistemas no lineales no son iguales a la suma de sus partes, usualmente son difíciles (o imposibles) de modelar, y sus comportamientos con respecto a una variable dada (por ejemplo, el tiempo) es extremadamente difícil de predecir.

Algunos sistemas no lineales tienen soluciones exactas o integrables, mientras que otros tienen comportamiento caótico, por lo tanto no se pueden reducir a una forma simple ni se pueden resolver. Un ejemplo de comportamiento caótico son las olas gigantes. Aunque algunos sistemas no lineales y ecuaciones de interés general han sido extensamente estudiados, la vasta mayoría son pobremente comprendidos.

Trasfondo
Sistemas lineales

En matemáticas una función lineal es aquella que satisface las siguientes propiedades.

1. Aditividad: f (x + y)= f(x) + f(y)

2. Homogeneidad: f(ax)=a f(x)

Estas dos reglas tomadas en conjunto se conocen como Principio de Superposición.


Sistemas no lineales

Las ecuaciones no lineales son de interés en física y matemáticas debido a que la mayoría de los problemas físicos son implícitamente no lineales en su naturaleza. Ejemplos físicos de sistemas lineales son relativamente raros. Las ecuaciones no lineales son difíciles de resolver y dan origen a interesantes fenómenos como la teoría del caos. Una ecuación lineal puede ser descrita usando un operador lineal, L. Una ecuación lineal en algún valor desconocido de tiene la forma



Una ecuación no lineal es una ecuación de la forma:



Para algún valor desconocido de .

Para poder resolver cualquier ecuación se necesita decidir en qué espacio matemático se encuentra la solución . Podría ser que es un número real, un vector o, tal vez, una función con algunas propiedades.

Las soluciones de ecuaciones lineales pueden ser generalmente descritas como una superposición de otras soluciones de la misma ecuación. Esto hace que las ecuaciones lineales sean fáciles de resolver.

Las ecuaciones no lineales son mucho más complejas, y mucho más difíciles de entender por la falta de soluciones simples superpuestas. Para las ecuaciones no lineales las soluciones generalmente no forman un espacio vectorial y, en general, no pueden ser superpuestas para producir nuevas soluciones. Esto hace el resolver las ecuaciones mucho más difícil que en sistemas lineales.

Herramientas para la solución de ciertas ecuaciones no lineales

Al día de hoy, existen muchas herramientas para analizar ecuaciones no lineales, por mencionar algunas tenemos: dinámica de sistemas, teorema de la función implícita y la teoría de la bifurcación

Ejemplo de ecuaciones no lineales

•  La relatividad general
•  Las Ecuaciones de Navier-Stokes de dinámica de fluidos 
•  La óptica no lineal 
•  El sistema del clima en la Tierra 
•  El balanceo de un uniciclo robot
•  La ecuación de transporte de Boltzmann
•  La ecuación de Korteweg-de Vries
•  La ecuación no lineal de Schroedinger.

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