Ensayo Gloria Aparicio.docx

INSTITUTO TECNOLOGICO DE LA CHONTALPA.

 Alumna:  Aparicio de la Cruz Gloria Estefanía

6to Semestre

Grupo: E

Ingeniería Petrolera

Materia: Instrumentación

Docente: Ing. Ignacio Arias Arias

 Trabajo: Ensayo Unidad 4

Unidad 4

Controladores

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4.1 Aplicaciones de Sistemas de Lazo Abierto y Lazo Cerrado

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4.2 Modos de Control aplicados en instrumentación

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4.2.1 On-Off.

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4.2.2 Proporcional

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4.2.3 Proporcional + Integral

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4.2.4 Proporcional + Derivativo

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4.2.5 Proporcional + Integral + Derivativo

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4.3 Criterios para la Selección de un controlador

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4.4 Sintonización de Controladores

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4.5 Comunicación del controlador con otros instrumentos

Controladores: En los inicios de la era industrial, el control de procesos se llevó a cabo mediante tanteos basados en la intuición y en la experiencia acumulada por el operario. Un caso típico fue el control de acabado de un producto en un horno. El operario era realmente el instrumento de control que juzgaba la marcha del proceso por el color de la flama, por el tipo de humo, el tiempo transcurrido y el aspecto del producto y decida así el momento de retirar la pieza; en esta decisión influía muchas veces la suerte, de tal modo que no siempre la pieza se retiraba en las mejores condiciones de fabricación. Más tarde, el mercado exigió mayor calidad en las piezas fabricadas lo que condujo al desarrollo de teorías para explicar el funcionamiento del proceso, de las que derivaron estudios analíticos que a su vez permitieron realizar el control de la mayor parte de las  variables de interés en los procesos.

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4.1 Aplicaciones de Sistemas de Lazo Abierto y Lazo Cerrado

Comencemos por considerar la diferencia esencial entre un sistema de lazo abierto (sin autocorrección) y un sistema de lazo cerrado (de autocorrección). Suponga que se desea mantener el nivel de líquido constante en el tanque de la figura. a) El líquido entra en el tanque por la parte superior y sale de el por el tubo de salida en la parte inferior Una manera de intentar mantener el nivel adecuado, es que u na persona ajuste la válvula manual para que la razón del flujo de líquido que entra al tanque balancee exactamente la razón de flujo de líquido que sale del tanque cuando el líquido está en el nivel adecuado. Esto podría requerir un poco de tiempo para encontrar la apertura adecuada de la válvula, pero tarde o temprano la persona encontrara la posición apropiada. Si se queda y observa el sistema por un rato y ve que el líquido se mantiene constante, podrá concluir que todo está bien, que la apertura de la válvula apropiada, ha sido ajustada para así mantener el nivel correcto. En realidad, mientras las condiciones de operación, se mantengan exactamente iguales, tal persona tendrá la razón.

El problema es que en realidad las condiciones de operaciones no se mantienen iguales. Podrían ocurrir numerosos casos sutiles que alterarían el equilibrio que ha tratado de conseguir. Por ejemplo: La presión de alimentación de la válvula manual podría incrementarse por alguna razón, esto aumentaría la razón de flujo de entrada, sin un correspondiente aumento de flujo de salida. El nivel del líquido comenzara a subir y el tanque pronto se desbordará (en realidad habrá un incremento en la razón de flujo de salida, debido al aumento en el fondo del tanque al aumentar el nivel, pero las posibilidades de que esto balanceara la nueva razón de flujo de entrada serian de una en un millón. Un incremento en la presión de cambio es solo un ejemplo de un cambio que alteraría al ajuste manual.

a)

b)

Fig. Sistema para mantener el nivel del líquido adecuado en un tanque. a) sistema de lazo abierto, no tiene retroalimentación y no se autocorrige. b) sistema de lazo cerrado, tiene realimentación y se autocorrige.

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4.2 Modos de Control aplicados en instrumentación

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: 

2 posiciones Todo o Nada (ON-OFF).

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Proporcional.

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Proporcional -Integral.

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Proporcional -Derivativo.

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Proporcional -Integral -Derivativo.

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4.2.1 On-Off.

En el modo de control, encendido-apagado, el dispositivo corrector final solo tiene dos posiciones o estados de operaciones. Por esta razón el control de encendido-apagado, es conocido también como control de dos posiciones y también como control bang-bang. Si la señal de error es positiva, el controlador envía el dispositivo corrector final a una de sus dos posiciones. Si la señal de error es negativa, el controlador envía el dispositivo corrector final a la otra posición. El control de encendido apagado, puede visualizarse adecuadamente, considerando que el dispositivo corrector final es una válvula por un solenoide. al ser activada la válvula por un selenoide está completamente abierta o Completamente cerrada, no hay ningún punto entremedio, por lo tanto, la válvula selenoide encaja perfectamente en nuestro sistema encendido-apagado.

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4.2.2 Proporcional (P)

Es un modo de control en que el dispositivo corrector final (ó accionador), tienen un rango continuo de posiciones posibles, con la posición exacta tomada siendo proporcional a la señal de error; esto es la salida del controlador es proporcional a su entrada. Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee desempeño limitado y error en régimen permanente (off-set).

 Ventajas del control proporcional:

•

Es la acción de control más importante.

•  Aplicación instantánea. •

Facilidad de comprobar los resultados.

•

Falta de inmunidad al ruido.

Desventajas:

El aumento de la ganancia proporcional en forma exagerada puede hacer que polos de la transferencia no modelados que para ganancias bajas no influyen, adquieran importancia y transformen al sistema en inestable.

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4.2.3 Proporcional + Integral

Un control P-I se define

 = +  ∫0 

Ecuación 6

Donde:

 =        ó  = La función de transferencia del control P-I

 =1+   =   =1+      

Ecuación 7

Figura 10.- Diagrama del Control Proporcional Integral

Nota: Kp y Ti son ajustables. Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción de control distinta de cero. Con acción integral, un error pequeño positivo siempre nos dará una acción de control creciente, y si fuera negativo, la señal de control será decreciente. Este razonamiento sencillo nos muestra que el error en régimen permanente será siempre cero. Muchos controladores industriales tienen solo acción PI. Se puede demostrar que un control PI es adecuado para todos los procesos donde la dinámica es esencialmente de primer orden. Lo que puede demostrarse en forma sencilla, por ejemplo, mediante un ensayo al escalón.

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4.2.4 Proporcional + Derivativo

Un control P-D se define mediante:

 =  +   

Ecuación 8

Donde: Td =

tiempo derivativo

Td = Kd

Esta acción tiene carácter de previsión, lo que hace más rápida la acc ión de control, aunque tiene la desventaja importante que amplifica las señales de ruido y puede provocar saturación en el actuador. La acción de control derivativa nunca se utiliza por sí sola, debido a que sólo es eficaz durante períodos transitorios. La función transferencia de un controlador PD resulta:

 =  1+ =  =  1+      

Ecuación 9

Figura 11.- Diagrama del Control Proporcional Derivativo

Nota: Kp y Td son ajustables. Cuando una acción de control derivativa se agrega a un controlador proporcional, permite obtener un controlador de alta sensibilidad, es decir que responde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección significativa antes de que la magnitud del error se vuelva

demasiado grande. Aunque el control derivativo no afecta en forma directa al error (e) estado estacionario, añade amortiguamiento al sistema y, por tanto, permite un valor más grande que la ganancia K, lo cual provoca una mejora en la precisión en estado estable

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4.2.5 Proporcional + Integral + Derivativo

Este sistema reúne los 3 tipos de control, suma las ventajas de cada una de las acciones.  Kp →  

Nos da una salida proporcional al error (amplifica la señal). Ki → Da una salida proporcional al error acumulativo, nos da una respuesta lenta. KD→ Se comporta de una manera previsoria.

Figura 12.- Diagrama a bloques de un controlador Proporcional Integral Derivativo.

La ecuación del P.I.D es: Ecuación 10

    =  +  0  +    Su función de transferencia:

CPID = KP (1 + TiS1 +Tds)

Ecuación 11

En sistemas de control de procesos se tienen controladores de diferentes tipos como lo son los neumáticos, pero en la actualidad todos estos sistemas de control mecánico están siendo reemplazados por controles ó controladores electrónicos.

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4.3 Criterios para la Selección de un controlador

Selección del tipo de controlador (P, PI, PID) Selección de parámetros (Kc, Ti, Td) y del tipo de actuación (directa/inversa) del controlador. Para ello es necesario:

*

Conocer el comportamiento dinámico del proceso

*

Especificar las características de respuesta en bucle cerrado

Factores que condicionan la respuesta: *

Implementación del algoritmo en el regulador comercial.

*

El modelo dinámico del proceso es aproximado.

*

La variable de control no debe sufrir cambios bruscos.

*

La calidad de la respuesta puede referirse a cambios en la consigna o en la perturbación.

Criterios de calidad en la respuesta: *

Basados en características puntuales de la respuesta

*

Basados en toda la respuesta (desde t=0 hasta t→∞)

Criterios basados en característica puntual de la respuesta *

Relación de amortiguamiento 1/4 (respuesta sub-amortiguada la que el primer pico es cuatro veces el segundo. No suele ser aceptable para cambios en la consigna).

*

Criterios basados en toda la respuesta (normalmente función de la integral del error). Los parámetros que se eligen son los que minimizan el criterio seleccionado:

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4.4 Sintonización de Controladores

Métodos de ajustes de controladores

Existen varios sistemas para ajustar los controladores al proceso, es decir para que la ganancia (banda proporcional), el tiempo de acción integral (minutos/ repetición) y el tiempo de acción derivada (minutos de anticipo) del controlador, caso de que actúen las tres acciones, se acoplen adecuadamente con el resto de los elementos del bucle de control (proceso+ transmisor+ válvula de control). Este acoplamiento debe ser tal que ante una perturbación se obtenga una curva de recuperación que satisfaga cualquiera de los criterios mencionados para que el control sea estable, en particu lar, el del área mínima con una relación de amortiguación de 0.25 entre crestas sucesivas de las ondas. Para que este acoplamiento entre el controlador y el proceso sea posible es necesario un conocimiento inicial de las características estáticas y dinámicas del sistema controlado. Existen dos métodos fundamentales para determinar estas características el método analítico y el experimental. El método analítico se basa en determinar el modelo o ecuación relativa a la dinámica del sistema, es decir su evolución en función del tiempo. En el método experimental las características estáticas y dinámicas del proceso, se obtienen a partir de una medida o de una serie de medidas realizadas en el proceso real. Estas series del proceso pueden efectuarse de tres formas principales:

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Método de tanteo (lazo cerrado)

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Método de ganancia limite (lazo cerrado)

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Método de curva de acción (lazo abierto)

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Métodos de Chindambara y el de Kraus y Miron.

Hay una búsqueda constante de nuevos métodos, gracias al uso amplio del ordenador que permite el análisis de procesos y el ensayo en tiempo real o simulado de los valor es de las acciones de control.

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4.5 Comunicación del controlador con otros instrumentos

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control s e basan en señales analógicas neumáticas (0,2-1 bar utilizadas en pequeñas plantas y en las válvulas de control), electrónicas de 4-20 mA c.c. y digitales, siendo estas últimas capaces de manejar grandes  volúmenes de datos y guardarlos en unidades históricas, las que están aumentando día a día sus aplicaciones. En áreas remotas o de difícil acceso tienen cabida los transmisores sin hilos típicamente de presión, señales acústicas y temperatura que transmiten sus medidas a un aparato base de radio conectado a un sistema de control o de adquisición de datos. La exactitud de las señales digitales es de unas 10 veces mayor que la señal clásica de 4-20 mA c.c. En lugar de enviar cada variable por un par de hilos (4-20 mA c.c.), transmiten secuencialmente las variables a través de un cable de comunicaciones llamado bus. El término bus indica el transporte secuencial de señales eléctricas que representan información codificada de acuerdo con un protocolo. Los fabricantes de sistemas de comunicaciones empezaron con sus propios sistemas llamados propietarios, es decir sin que fuera posible intercambiar sus aparatos con los de otros fabricantes. Sin embargo, han llegado por lógica a fabricar sistemas abiertos, debido a la demanda del mercado. Es natural que un fabricante se resista a d ivulgar su sistema debido al alto coste que ha pagado por la investigación y el desarrollo de su producto, pero el deseo del cliente se impone a la larga.