Seminario Gráfica de Control estadístico para datos cualitativos
Seminario control
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CONTROL DE PROCESOS
Laboratorio de Control de Procesos
CURSO 2014-2015
Controlador PID
CONTROL DE PROCESOS
Practica de Laboratorio: Sintonización de un controlador PID
Objetivo
El objeto de estas prácticas es la determinación de lafunción de transferencia de un proceso y el estudio la
sintonización de un sistema y familiarizarse con loscontroladores Prácticas de laboratorio
Sintonización de un controlador de temperatura
Sintonización de un controlador de presión
Identif icación de la función de transferencia de unproceso, (parámetros dinámicos)
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Practica de Laboratorio: Sintonización de un controlador PID
Introducción sintonización
¿Qué se entiende por ajuste (sintonía)?
PID
SP Salida
Proceso
Carga
+-
m(s)error control
¿ KP , TI , TD ?
Determinación de los parámetros de control, de acuerdo conalgún conjunto de especificaciones
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¿Cuándo es necesaria la sintonía?
En la puesta en marcha de un sistema de control (1ª
sintonía o presintonía sintonía)
Dificultades del ajuste
1. Exista un único juego de parámetros de control tal quese cumplan estas especificaciones ( Caso más favorable )
2. Existan varios juegos de parámetros de control tal quese cumplan estas especificaciones ( ¿Cuál es el mejor? )
3. No exista un juego de parámetros de control tal que secumplan estas especificaciones ( Caso peor )
Introducción sintonización
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Fundamento teórico
El control de procesos químicos se realiza en lazo cerrado, almenos en la mayoría de los casos. Esto es debido a que este
tipo de lazo permite la actuación sobre la variable controlada
i
SP +-
M(s)E(s)
D
K
P
+ +
11 sEss
KsM Di
p
+
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Acciones de control
Su acción consiste en moverse entre dos posiciones. Eldispositivo final tiene sólo dos posiciones. La señal de salida
del controlador depende únicamente del signo de la señal deerror, no de su magnitud.
Todo o nada (ON-OFF)
Acción decontrol
T = 150ºC
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Ventajas del controlador ON-OFF
• Controlador económico.
• Las válvulas de solenoides son también más económicas que losposicionadores incorporados en el elemento de acción final.
• El sistema es confiable.
• Es fácil de instalar y de ajustar.
• Si el ciclo límite pueda tolerarse, es un candidato a tener en cuenta.
Desventajas del controlador ON-OFF
• Hay una oscilación continua
Observaciones :
• Este tipo de controlador no tiene parámetros para elegir
• En general se lo utiliza en sistemas donde las variables oscilan.
• Aún en pequeñas variaciones del error los cambios en la variable manipuladatienen gran amplitud.
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Proporcional
La señal de salida del controlador es proporcional al error
Kpe(t) m(t)
CONTROLADOR
Kp: ganancia proporcional delcontrolador
e(t) = ysp-y(t)
)()( teKtm p En variables de perturbación )()( teKtmP
Comercialmente la ganancia proporcional: Banda Proporcional, BP.
BP: es el % del error máximo que da lugar a una variación del 100% en la
salida del controlador
BPte
tm
Kpte p
100
)(
)(
pKBP
100
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• A medida que aumenta la ganancia del control proporcional el error estacionarioante una entrada de tipo rampa disminuye.
• En sistemas de orden 2 o superior, el aumento de la ganancia del controlproporcional conlleva, generalmente, un empeoramiento de la respuestatransitoria del sistema en lazo cerrado:
Aumento del sobreimpulso.Disminución del tiempo de pico.Aumento del tiempo de establecimiento.
De este modo, se puede llegar a la situación de llevar al sistema a lainestabilidad mediante un aumento excesivo de la ganancia del controlproporcional
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Integral
La señal de salida del controlador es proporcional a la integral del error
dttedtteKtmt
i
t
i
00)(
1)()(
i = tiempo integral (unidades de tiempo)
Tomando las T.L. se obtiene la función de transferencia:
sse
smsB
i
1
)(
)()(
Ventaja: Bien sintonizado elimina el error en la señal de salida OFFSET.
Desventajas: Esta acción tiende a desestabilizar el sistema
i , la respuesta es oscilatoria, al i se elimina la oscilación pero la
amplitud de la respuesta.
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El orden de la respuesta crece (por la acción integral)
• Se elimina el offset
• Al aumentar kp aumenta la velocidad de respuesta pero, a la vez, la hacemás oscilatoria
• Al disminuir ι manteniendo constante kp la respuesta se hace másoscilatoria con un mayor sobre impulso
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Diferencial
La señal de salida del controlador es proporcional a la derivada del error
respecto al tiempo en el sistema.
dt
tdetm D
)()(
D = tiempo derivativo
D es el intervalo de tiempo durante el cual la acción de velocidad hace
avanzar el efecto de la acción proporcional.
La acción derivativa tiene la ventaja de ser de previsión, pero amplifica las
señales de ruido y hay que tener mucho cuidado con valores de D provoca
oscilaciones en la respuesta
F. T. controlador diferencial:
s
s
se
smsB
D
D
1
1
)(
)()(
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• El control proporcional derivativo proporciona al sistema una mayorestabilidad relativa que se traduce en una respuesta transitoria con menorsobre impulso.
• Cuando la influencia del control es muy grande, el sistema de control tiende a
ofrecer una respuesta excesivamente lenta
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Sintonización de un controlador . (Control por retroalimentación)
Características de un lazo de control
Para cualquier lazo de control se deben de cumplir los siguientes requisitos:
1. El lazo de control debe de ser estable. Alcanzar la consigna.
2. El lazo de control debe de minimizar el efecto de las perturbaciones .
3. Se deben de obtener respuestas rápidas y poco oscilantes ante los
cambios en el setpoint.
4. El offset debe de eliminarse.
5. Debe de evitarse una excesiva acción de cont rol. Esto significa que el
elemento final de control debe de mantener un valor estable cuando se
alcanza el valor de la consigna.
6. El sistema de control debe de ser robusto, es decir, insensible a los
cambios en las condiciones del proceso (variaciones de la consigna).
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No es posible cumplir todos estos criterios a la vez, y se deben de priorizar los requisitos .
Normalmente se contraponen los siguientes criterios:
• Rendimiento: que el control alcance el punto de consigna de una forma rápida y nooscilatoria. (Control agresivo, altos valores de Kp y bajos de i).
• Robustez: que se pueda adaptar a cambios en el proceso. (Control conservador, bajos
valores de Kp y altos valores de i).
También se contraponen:
• Respuesta a las perturbaciones. Parámetros de control que permiten un buen control
ante las perturbaciones, producen muchas oscilaciones ante un cambio de consigna.
• Cambios de la consigna. Parámetros de control que permiten un buen control ante los
cambios de consigna, ralentizan el control ante las perturbaciones.
Sintonización de un controlador . (Control por retroalimentación)
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Sintonización
Requisit os Previos
Buen conocimiento de las características del proceso
Elección correcta del controlador
Especificación de las condiciones finales (forma de la respuesta)
Las acciones de control se complementan, interaccionan, solapan y se
contradicen, por lo que la posición óptima de cada una no tiene por que ser la
del sistema.SINTONIZACIÓN
Rapidez, Estabil idad y minimización de error
Determinar: (BP ó Kp),
i,
D
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Métodos de sintonización
Existen diferentes métodos para realizar la búsqueda de los parámetros
de control más adecuados.
1. Métodos teóricos
2. Tanteo
3. Zieger-Nichols (o de ganancia límite)
4. Acción – reacción (o de la curva de respuesta)
5. Otros
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Pasos de Sintonía de Prueba y Error
Controlador en automático
Introduciremos perturbaciones en escalón en el punto de consigna
La sintonización se realiza de forma secuencial P PI PID
1. Sintonizar la acción proporcional Kp, anulando las acciones integral ( i = ∞) y
derivativa ( d = 0).
Aumentar la ganancia hasta conseguir la forma de la respuesta deseada sin tener
en cuenta el error estacionario. señal oscilatoria de modo que la relación de
amplitudes consecutivas sea ¼. (atenuación de un 25% de cada oscilación con
respecto a la anterior)
Esta Kop se cambia a Kop/2 para sintonizar el i (es desestabilizante)
2. Ajuste del tiempo integral i , hasta eliminar el error estacionario.
Se comienza con valores altos, disminuyendo su valor hasta obtener oscilación
simétrica alrededor del punto de consigna iop.
3. Ajuste del tiempo derivativo d
Comenzar con valores bajos e ir aumentando, hasta conseguir una respuesta
rápida pero suficientemente estable.
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Pasos de Sintonía en los Métodos de Ziegler-Nichols
Este método estudia la respuesta de un sistema bajo un control
proporcional.
El método consiste en:
1. Eliminar las acciones integral y derivativa ( i = ∞ y d = 0) del sistema enlazo cerrado. (Controlador en Proporcional)
2. Modifica la ganancia del controlador hasta que se obtenga el menor valor
de esta que da oscilaciones de amplitud constante. Esta ganancia el la
ganancia última.
3. Evalúa el periodo de las oscilaciones constantes. Este es el periodo último
Pu.
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TIPO Kp
I
D
P 0.5Ku - -
PI 0.45Ku Pu/1.2 -
PID 0.6Ku Pu/2 Pu/8
Ku ganancia crítica en % / % T periodo de oscilación
i y D en las mismas unidades que Pu.
4. Finalmente, se calculan los parámetros del controlador a partir de
esta ganancia y periodos últimos.
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El sistema de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) es una plataforma,con arquitectura distribuida, basada en comunicaciones digitales (interfase RS-485),utilizando un ordenador, en el que se implementa el paquete de software ADKIR.
Este software permite conocer, en todo momento y en tiempo real, el valor de todaslas variables de proceso, así como configurar todos los parámetros de los distintosdispositivos que controlan y automatizan la planta: puntos de consigna, límites dealarma, ......
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BLOQUE
RESISTENCIA
CALEFACTORA TERMOPAR
TERMOPAR
EXTERNO
BLOQUE
RESISTENCIA
CALEFACTORA TERMOPAR
TERMOPAR
EXTERNO
CARTUCHO
TERMOPARRESISTENCIA
CALEFACTORA
CARTUCHO
TERMOPARRESISTENCIA
CALEFACTORA
SISTEMA EXPERIMENTALControlador de Temperatura
1
2
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P=0
1
1
1 1 1 1 1
111 11
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
P=4 P=6 P=8 P=10
P=0 P=5 P=10 P=20P=40
SINTONIZACIÓN CON TERMOPAR INTERNO 1, P
BLOQUE
CARTUCHO
PERTURBACIÓN ESCALON 50ºC
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1
1
1 1 1 1 1
111 11
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
P=10I=5
P=10I=30
P=10I=60
P=10I=60
D=3
P=10I=60D=5
P=20I=5
P=20I=15
P=20I=25
P=20I=15D=1
P=20I=15D=3
P=10I=60D=10
P=20I=15D=15
BLOQUE
CARTUCHO
SINTONIZACIÓN CON TERMOPAR INTERNO 1, I-D
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¿POR QUÉ SE HAN ELEGIDO ESOS VALORES?
CARTUCHO BLOQUEPc Ic Dc Pc Ic Dc
20 15 1 10 60 2
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SINTONIZACIÓN CON TERMOPAR EXTERNO 2,
ANALIZANDO ESTOS DATOS. SE REALIZARÁ LA SINTONIZACIÓN
DEL BLOQUE CON EL TERMOPAR EXTERNO (2) QUE SE
ENCUENTRA MÁS ALEJADO DE LA RESISTENCIA.
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O.P.
CFIP CP
REAC.
SISTEMA EXPERIMENTALControlador de Presión
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SINTONIZACIÓN. MÉTODO Ziegler-Nichols
Determinación de la última ganancia.
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
0 20 40 60 80 100 120
40
45
50
55
60
65
70
75
80P 80
P 50 P 40P 30
P 20P 15 P 5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
89 91 93 95 97 99 101 103 105 107
50
55
60
65
70
75
Seleccionar la BP que
provoque la máxima oscilación
con amplitud constante.
Determinar Ku y Tu
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Perturbaciones en el sistema
Con los parámetros del controlador optimizados anteriormente, someter al
sistema a perturbaciones.
Estudiar sus efectos sobre la presión.
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OBTENCIÓN DE PARÁMETROS DINÁMICOS Y SINTONIZACIÓN DE UNCONTROLADOR DE TEMPERATURA EN LABVIEW
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