Tema 3 controladores.pptx

Tema 3 controladores

1. Instrumentación Industrial Profesor(a): Elybe Hernández Tema 3 Controladores

2. CONTROLADORES INTRODUCCIÓN ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL: DOS POSICIONES, P, PI, PID,PD CONTROLADORES NEUMÁTICOS , HIDRÁULICOS, ELÉCTRICOS (Analógicos y Digitales) SINTONIZACIÓN DE CONTROLADORES APLICACIONES DE LOS CONTROLADORES

3. Considerando que el dispositivo controlador, forma parte de un sistema de control y este en su aspecto mas sencillos se realiza según el lazo de control típico formado por ( por ejemplo, tanque, tuberías y bombas en el caso de nivel, e intercambiador de calor y serpentín en el caso de control de temperatura), el transmisor, el controlador y la válvula de control. Introducción Considerando además que el proceso consiste en un sistema que ha sido desarrollado para llevar a cabo un objetivo determinado : tratamiento del material mediante una serie de operaciones específicas destinadas a llevar a cabo su transformación . Los procesos revisten las formas más diversas, desde las más simples hasta las más complejas . Una aplicación tipica,se muestra en la figura

4. Definiciones Para poder diseñar correctamente el sistema de control de una planta química, se deben conocer unos conceptos básicos: Variable controlada: variable del proceso que se quiere mantener a un valor constante. Variable manipulada: variable del proceso que se modifica para corregir el efecto de la desviación provocada por la perturbación. Perturbación: variable(s) externa(s) que altera el sistema y modifica la variable controlada. Punto de consigna: valor deseado al que se quiere mantener la variable controlada. Error/Offset : diferencia entre la variable controlada y el punto de consigna. Los sistemas de control de lazo abierto u Open Loop son aquellos cuya señal de salida no influye en la señal de entrada. Es decir, la señal de salida no afecta al proceso. Los sistemas de control de lazo cerrado o Closed Loop son aquellos en los que la señal de salida influye en la señal de entrada.

5. Sistemas de control de lazo cerrado Control por retroalimentación o Feedback : Este tipo de control mide la diferencia entre la variable controlada y el punto de consigna con el objetivo de minimizarla. Control anticipativo o Feedforward : Este tipo de control consiste en la anticipación del cambio que pueda originar la perturbación sobre la variable a controlar. Es decir, se basa en la medición de la perturbación antes de entrar en el sistema para poder regular cualquier cambio que se pueda producir.

6. Lazo de control El transmisor capta la señal del proceso y la transforma a una señal neumática , electrónica o digital para enviarla al controlador El controlador permite al proceso cumplir su objetivo de transformación del material y realiza dos funciones esenciales: Compara la variable medida (temperatura de salida del intercambiador) con la de referencia o deseada (punto de consigna) para determinar el error. Estabiliza el funcionamiento dinámico del lazo o bucle de control mediante circuitos especiales (acciones de control, modos de control o algoritmos de control) para reducir o eliminar el error. La válvula de control varía el caudal del fluido de control (vapor de agua) que, a su vez, modifica el valor de la variable medida (temperatura)

7. ESQUEMA DE LAZO DE CONTROL

8. Lazo de control cerrado En el diagrama de bloques de la figura puede verse que hay una cadena cerrada de señales que pasan por transmisor-controlador-válvula de control-proceso, formando lo que se llama lazo cerrado de control Un circuito o lazo abierto de control carece de detector de señal de error y de controlador En el control manual del proceso, el operador nota la temperatura de salida del agua (con la mano) o la percibe por la lectura de un termómetro y acciona manualmente la válvula de control de vapor, para mantener el agua a la temperatura deseada.

9. Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que reducirá la desviación a cero o a un valor pequeño. La manera en la cual el controlador automático produce la señal de control se denomina acción de control. STRENGTHS WEAKNESS OPPORTUNITIES THREATS S W O T Clasificación de los controladores industriales. Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de control, como : De dos posiciones o de encendido y apagado ( on /of) Proporcionales Proporcionales-integrales   Proporcionales-integrales-derivativos

10. Cual es la función del controlador

11. ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL: DOS POSICIONES, P, PI, PID,PD Los actuadores o elementos finales de control, pueden hacer correcciones en varias formas: En caso de ser una válvula, puede abrir o cerrar instantáneamente. -puede abrir o cerrar la válvula lentamente, a una velocidad constante, mientras se mantenga la desviación. puede abrir la válvula en mayor grado cuando la desviación es más rápida. puede abrir la válvula un número de vueltas constante, por cada unidad de desviación. Estas correcciones, son hechas por el controlador, en los sistemas industriales se emplean básicamente uno o una combinación de los siguientes sistemas de control: De dos posiciones, encendido o apagado (ON-OFF ). Proporcional. Proporcional -Integral. Proporcional -Derivativo. Proporcional -Integral -Derivativo.

12. Control todo -nada (on-off) En la regulación todo-nada, la válvula de control adopta únicamente dos posiciones, abierta o cerrada , para un valor único de la variable controlada. Este tipo de control se caracteriza por un ciclo continuo de variación de la variable controlada. El control todo-nada funciona satisfactoriamente si el proceso tiene una velocidad de reacción lenta y posee un tiempo de retardo mínimo. Se caracteriza porque las dos posiciones extremas de la válvula permiten una entrada y salida de energía al proceso ligeramente superior e inferior, respectivamente, a las necesidades de la operación normal. En este tipo de controlador, la salida varía entre dos posiciones extremas (todo o nada), de acuerdo a si la PV es mayor o menor al SP. Este controlador tiene usualmente una banda diferencial o zona neutra dentro de la cual la salida se mantiene en su valor actual. La banda diferencial permite minimizar la frecuencia de oscilación de la salida pero aumenta la amplitud de la misma. Tanto el SP como la banda diferencial son parámetros ajustables en el controlador todo o nada. Ejemplos de controladores todo o nada son los muy difundidos termostatos, empleados para controlar temperatura en sistemas de aire acondicionado, termos, calentadores de ambiente, etc. En la Figura 3.4 (a) se muestra un ejemplo de la acción de un controlador todo o nada con banda diferencial.

13. En la figura se observa que el controlador es un termostato que cierra o abre un contacto eléctrico excitando el elemento final de control que es una válvula de solenoide con dos posiciones únicas, cerrada y abierta. Y, en la misma figura , puede verse un caso real de calentamiento de un horno con resistencias eléctricas con punto de consigna 500 °C y zona diferencial el 1% del margen de control de 0-800 °C, es decir, 8 °C.

14. Control Proporcional En el sistema de posición proporcional existe una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir, la válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación. O, en otras palabras, la posición de la válvula es una copia inversa de la variable controlada. En la figura puede verse la forma en que actúa un controlador proporcional cuyo punto de consigna es 50 °C y cuyo intervalo de actuación es de 0-100 °C. Cuando la variable controlada está en 0 °C o menos, la válvula está totalmente abierta; a 100 °C o más está totalmente cerrada, y entre 0 y 100 °C la posición de la válvula es proporcional al valor de la variable controlada. Por ejemplo, a 25 °C está abierta en un 75% y a 50 °C en un 50%

15. El grado de ajuste del controlador proporcional viene definido por: Ganancia, que es la relación entre la variación de la señal de salida del controlador a la válvula de control y la variación de la señal de entrada procedente del elemento primario o del transmisor. Banda Proporcional, que es el porcentaje del campo de medida de la variable que la válvula necesita para efectuar una carrera completa, es decir, pasar de completamente abierta a completamente cerrada. La acción proporcional tiene un inconveniente, que es la desviación permanente de la variable una vez estabilizada con relación al punto de consigna, denominada OFFSET.

16. Un controlador PID (Proporcional Integral Derivativo) es un sistema de control que, mediante un elemento final de control (actuador), es capaz de mantener una variable o proceso en un punto deseado dentro del rango de medición del sensor que la mide. Es uno de los métodos de control más frecuentes y precisos dentro de la regulación automática. CONTROLADOR PID

17. El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz. Funcionamiento

18. El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada una de las 3 componentes de un controlador PID propiamente tal, para generar las 3 señales que, sumadas, componen la señal que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de la suma de estas tres señales, se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador, si no que debe ser transformada para ser compatible con el actuador que usemos.

19. Las tres componentes de un controlador PID son: acción proporcional, acción integral y acción derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente.

20. Acción Proporcional Una ventaja de esta estrategia de control, es que sólo requiere del cálculo de un parámetro (ganancia K c ) y, además, genera una respuesta bastante instantánea. Sin embargo, el controlador proporcional posee una característica indeseable, que se conoce como error en estado estacionario (offset).

21. Acción integrativa La acción integral da una respuesta proporcional a la integral del error. Esta acción elimina el offset, pero se obtiene una mayor desviación del set point , la respuesta es más lenta y el periodo de oscilación es mayor que en el caso de la acción proporcional.

22. En este tipo de control, la salida m(t) del controlador, es proporcional a la integral del error e(t), o sea: Donde: m(t) es la señal de salida del controlador e(t) es la señal de error K i es una constante, llamada “ganancia integral”

23. Acción derivativa La acción derivativa da una respuesta proporcional a la derivada del error (velocidad de cambio del error). Añadiendo esta acción de control a las anteriores, se elimina el exceso de oscilaciones. No elimina el offset. Se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral).

24. En este tipo de control, la salida m(t) del controlador, es proporcional a la derivada del error e(t), o sea: Donde: m(t) es la señal de salida del controlador e(t) es la señal de error K d es una constante, llamada “ganancia derivativa”

25. Acción de control proporcional integral derivativa : E sta acción combinada reúne las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación de un controlador con esta acción combinada se obtiene mediante:

26. Se dice que un control es de tipo proporcional-integral-derivativo cuando la salida del controlador v(t ) es proporcional al error e(t ), sumado a una cantidad proporcional a la integral del error e(t ) más una cantidad proporcional a la derivada del error por lo que en el dominio s (aplicando transformada de Laplace) le corresponde la expresión

27. Como conclusión, se enumeran las principales características de los diferentes tipos de controladores: P,1 PI, PD y PID . Control proporcional • El tiempo de elevación experimenta una pequeña reducción. • El máximo pico de sobreimpulso se incrementa. • El amortiguamiento se reduce. • El tiempo de asentamiento cambia en pequeña proporción . • El error de estado estable disminuye con incrementos de ganancia. • El tipo de sistema permanece igual. Control proporcional-integral • El amortiguamiento se reduce. • El máximo pico de sobreimpulso se incrementa. • Decrece el tiempo de elevación. • Se mejoran los márgenes de ganancia y fase. • El tipo de sistema se incrementa en una unidad. • El error de estado estable mejora por el incremento del tipo de sistema. Control proporcional-derivativo • El amortiguamiento se incrementa. • El máximo pico de sobreimpulso se reduce. • El tiempo de elevación experimenta pequeños cambios. • Se mejoran el margen de ganancia y el margen de fase. • El error de estado estable presenta pequeños cambios . • El tipo de sistema permanece igual Control proporcional-integral-derivativo • Este tipo de controlador contiene las mejores características del control proporcional derivativo y del control proporcional-integral.

28. La tabla es una referencia con respecto al tipo de controlador a utilizar en los diversos procesos industriales

29. Sintonización de Controladores. En esta sección estudiaremos como obtener los valores de las constantes Kp , Ki, y Kd de forma que estas tengan el valor apropiado para tener un buen desempeño de control. El valor de estas constantes son función de el entorno donde esta el proceso a controlar asi como de los parámetros de este, es decir es una función F( PV, ambiente). Método de entonamiento PID de Ziegler-Nichols . Ziegler y Nichols desarrollaron métodos de entonamiento de controladores PID en lo primeros años de la década de los cuarenta basados en pruebas de lazo abierto (menos conocidas que por ejemplo las formulas de Cohen Coon ) El método de lazo abierto permite calcular los parámetros PID, partiendo de los parámetros del proceso. El procedimiento: Paso 1, se hace una prueba de la planta en lazo abierto Paso 2, determine los parámetros del proceso: ganancia del proceso, tiempo muerto, constante de tiempo (véase abajo, dibuje una tangente a través del punto de inflexión y mida L y T como se muestra, por cierto en la actualidad existen mejores y mas fáciles métodos) Paso 3, calcule los parámetros de acuerdo a las siguientes formulas: K = constante de tiempo / (ganancia del proceso * tiempo muerto) PI : Ganancia proporcional = 0.9K, tiempo integral = 3.3 * tiempo muerto PID : ganancia proporcional = 1.2K, tiempo integral = 2 * tiempo muerto, tiempo derivativo = 0.5 * tiempo muerto. OP : Salida del controlador.

30. Una vez que se han definido las acciones de control y sus posibles combinaciones para producir los distintos tipos de controladores, se procederá a considerar algunos de los diferentes criterios para sintonizar, esto es, para asignar valores específicos a los componentes que conforman cada controlador en particular Sintonización de Controladores. Criterio de Ziegler-Nichols (método de la ganancia máxima) Este criterio de ajuste se denomina método de sintonización en lazo cerrado, ya que el controlador permanece en la trayectoria directa como elemento activo, según se muestra en la fi gura

31. Primero se incrementa la ganancia del control proporcional Kp hasta que la salida del sistema se comporte como una oscilación sostenida, lo que equivale a un compor tamiento marginalmente estable. La forma de onda libre oscilatoria es de interés tanto en la ganancia con la que el sistema presenta dicha oscilación, denominada ganancia máxima Ku , como con el periodo de la oscilación, denominado periodo máximo Pu. En el caso de que el sistema original contenga un controlador con acción integral y derivativa, se procede a cancelar ambas acciones haciendo Ti = ∞ y Td = 0. Una vez que se ha calculado Ti y Td , el controlador queda sintonizado. Si el sistema es incapaz de alcanzar el estado de libre oscilación con incrementos de ganancia, el método de Ziegler-Nichols no se puede aplicar. Al sustituir s por j, en la ecuación característica de la función de transferencia de lazo cerrado T(s), es posible determinar Ku y la frecuencia u en la cual el LGR cruza con el eje j; el periodo Pu se obtiene mediante Pu = 2/u. Una vez que se han determinado la ganancia máxima Ku y el periodo máximo Pu, los valores de Kc , Ti y Td pueden cuantifi carse al aplicar la referencia que se muestra en la tabla 8.2 para sintonizar los diferentes tipos de controladores. En este punto, cabe mencionar que con el método de Ziegler-Nichols de la ganancia máxima no es posible ajustar al control proporcional-derivativo.

32. El metodo de lazo cerrado receta lo siguiente: Paso1 , deshabilite cualquier acción derivativa e integral del controlador (pura acción proporcional) Paso 2, haga un paso unitario de punto de consigna ( setpoint step ) y observe la respuesta. Paso 3, repita la prueba de paso unitario de punta de consigna con incrementos o decrementos de ganancia hasta que se logre una oscilación estable, esta ganancia se denomina “ la ultima ganancia” Ku Paso 4, lea el periodo de oscilación Pu. Paso 5, calcule los parámetros de acuerdo a las siguientes formulas: PI:ganancia proporcional = 0.45 * Ku , timepo integral = Pu / 1.2 PID: ganancia proporcional = 0.6 * Ku , tiempo integral Pu / 2, tiempo derivativo = Tu / 8 Caracterización: Ambos métodos dan un buen punto de inicio pero requieren de un ajuste fino posterior El método de lazo abierto esta basado en la medición del rango de 0 a 100 y control continuo, esto requiere ajustes para otros rangos de medición y del intervalo de control en sistemas digitales (este método fue desarrollado en la época en que solo existía control análogo) El método de lazo cerrado no requiere de ajuste, una gran ventaja, dado que tanto el controlador como el proceso son parte de la prueba pero sufre de una desventaja grande; traer al proceso a una oscilación estable y sostenida esta simplemente fuera de discusión en procesos industriales. En ambos métodos no se distingue entre punto de consigna y entonamiento de carga y son para procesos autorregulados solamente, no para procesos integrativos como el nivel de líquidos.