Practica 1.3

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE ING. ELÉCTRICA y ELECTRÓNICA IELE- 2300L LAB.ANALISIS SIST. CONTROL PROFESORES: Alain Gauthier, Nicanor Quijano, Fernando Jiménez ASISTENTES LABORATORIO: Ángel Castro, Angélica Suárez, Camilo Pazmiño, Santiago Jiménez Última revisión: Enero 2016

2016-I

PRACTICA DE LABORATORIO N° 1.3 – CONTROL PID DE TEMPERATURA 1. Introducción El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante años recientes, es usado fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, disminuye la cantidad de productos finales defectuosos y aumenta la productividad. Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina el error y produce una señal de control que tiende a reducir el error a cero. La manera en la cual el controlador automático produce la señal de control se denomina acción de control. En este laboratorio es diseñado un controlador con acciones de control proporcional, integral y derivativo (PID), empleando métodos de sintonización. 2. Objetivos    

Obtener la respuesta dinámica que modela el comportamiento de la planta térmica. Diseñar un controlador empleando el método de sintonización Implementar un controlador Proporcional-Integral-Derivativo en LABVIEW. Analizar la respuesta del sistema controlado.

3. Equipos necesarios   

Fuente de voltaje. Planta térmica. Computador y tarjeta de Adquisición de datos NI (con módulos de entrada y salida analógicas).

4. Conceptos Pre laboratorio  ¿Qué es un sistema de control en lazo cerrado?  ¿Cuáles son las ventajas de los sistemas de control en lazo cerrado?  ¿Qué es un controlador PID?  ¿Cuáles son las principales características de la acción de control PID?  En el control de procesos industriales. ¿Por qué han sido tan difundidos los controladores PID?  En que consiste el procedimiento de sintonización de un sistema de control.  Investigar 3 métodos para sintonización de controladores PID.  Sintonización PID por IMC(Internal Model Control)

5. Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) 1. Un sistema de control en lazo cerrado es aquél en el que la acción de control depende de la señal de referencia y de la realimentación de la señal de salida:

Figura 1. Sistema de control lazo cerrado

La señal de error es la diferencia entre la señal realimentada y la señal de referencia: ( ) = ( ) − ( ) (1) La función del controlador es actuar sobre la planta o proceso para corregir el error y reducir el alejamiento entre la señal de salida y la señal de referencia. Las acciones de control generalmente utilizadas son la proporcional, integral y derivativa. La acción de control proporcional, da una salida del controlador proporcional al error:

( )=

( ) (2)

Donde es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee un desempeño limitado y un error en régimen permanente (off-set).

Figura 2. Error en régimen permanente control proporcional.

La acción de control integral proporciona una salida del controlador proporcional al error acumulado. El error acumulado es calculado integrando la señal de error:

( )=



( )

(3)

En la acción de control integral el error en régimen permanente es cero. La acción de control proporcional-integral (PI), está definida por: ( ) =

( ) +

( )

(4)

Donde se denomina tiempo integral. El control proporcional-integral actúa sobre la respuesta transitoria y permite obtener un error en estado estable igual a cero.

Figura 3. Acción de control proporcional-integral (PI).

La acción de control proporcional-derivativa (PD), está definida por: ( ) =

( )

( ) +

(5)

Donde es una constante denominada tiempo derivativo. Esta acción tiene carácter de previsión, lo que hace más rápida la acción de control, aunque tiene la desventaja de amplificar las señales de ruido y puede provocar saturación en el actuador. Aunque el control derivativo no afecta en forma directa al error en estado estacionario, añade amortiguamiento al sistema, permitiendo un valor más grande de la ganancia , lo cual mejora la precisión en estado estable. La acción de control proporcional-integral-derivativa (PID) combinada las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación del controlador PID es:

( ) =

( ) +

( )

+

( )

(6)

Figura 4. Acción de control proporcional-integral-derivativa (PID).

El siguiente diagrama representado un sistema de control en lazo cerrado con acción de control PID:

Figura 5. Sistema de control en lazo cerrado con acción de control PID.

6. Procedimiento de laboratorio: 1. Realizar en LABVIEW el programa del controlador PID, de acuerdo a las figuras 6 y 7.

Figura 6. Interfaz gráfica controlador PID.

Figura 7. Programa para el controlador PID(Adjunto Final).

2.

Estimar los parámetros , y , para esto usar los datos obtenidos en la práctica 1.2, se utilizará el método de sintonización IMC (Internal Model Control), según esta técnica de sintonización el control para un sistema de primer orden con función de transferencia ( ) = consiste en hacer

= ,

= y

= 0. Donde

corresponde a la constante de tiempo

que se desea en lazo cerrado. 3.

4.

5. 6.

Digitar los parámetros , y . Ejecutar el programa y asignar un valor de referencia para la temperatura deseada, observar el comportamiento del sistema. Observación: ejecutar el programa por lo menos durante 20 minutos, sin cambiar el valor de referencia. Manteniendo = 0, modificar los valores de y para mejorar la respuesta del sistema, es decir disminuir tiempo de respuesta y sobre-impulso teniendo en cuenta la Tabla 1. adjunta. Ahora modificar . Observar cómo cambia la respuesta del sistema. Tome nota del comportamiento del controlador en cada situación. Analice su comportamiento y concluya sobre sus resultados.

7. Trabajo Complementario 1. Simular en Simulink la respuesta del sistema de control-planta térmica, según la figura 7. Luego añadir el bloque de saturación según la figura 8, usar este para limitar la acción de control entre 0-5. Observar y analizar las diferencias entre la respuesta del sistema.

Figura 8. Simulación sin saturación

Figura 9. Simulación con saturación

Tabla 1. Efecto acciones de control. (Tomado de http://web.usal.es/~sebas/PRACTICAS/PRACTICA%207.pdf )