Unidad 1

 

ITCM INSTRUMENTACION Y CONTROL   DEPARTAMENTO DEPARTA MENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA y BIOQUÍMICA ING. SECUNDINO ARTEAGA RIVERA

 

 

PROGRAMA SINTETICO: UNIDAD 1.- CONCEPTOS CONCEPTOS BASICOS UNIDAD 2.- MODELACION MODELACION MATEMATICA UNIDAD 3.- MODELOS DINAMICOS DE 1° Y 2° ORDEN UNIDAD 4.- SENSORES Y TRANSMISORES UNIDAD 5.- CONTROLADORES Y ESTABILIDAD UNIDAD 6.- ELEMENTO ELEMENTO FINAL DE CONTROL

EVALUACION: PARTICIPACION(P)=5% PARTICIPACION( P)=5% EXAMENES(E)=55% EXAMENES(E) =55% LABORATORIO(L)=10% LABORATORIO(L) =10% ASISTENCIA ASISTENCI A ( AH)=5% TAREA(T)=10% PROYECTO(PY)=15% PROYECTO(PY)=15 % DEP.INGENIERIA QUIMICA  Y BIOQUIMICA

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BIBLOGRAFIA: KATSUHIKO OGATA: INGENIERIA DE CONTROL MODERNA. DONALD R.COUGHANOWR: PROCESS SYSTEM SYSTEMS S ANALYSIS AND CONTROL WILLIAM L.LUYBEN: PROCESS MODELING,SIMULAT MODELING,SIMULATION ION AND CONTROL CHEMICAL ENGINEERS C.A.SMITH Y A.CORRIPIO: CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS, TEORIA Y PRACTICA E. FERNANDEZ CAMACHO: CONTROL E INSTRUMENTACION DE PROCESOS QUIMICOS DALE E.SEBORG: DYNAMICSINDUSTRIAL AND CONTROL ANTONIO CREUS: PROCESS INSTRUMENTACION STHEPHANOPOULOS: STHEPHANOP OULOS: CHEMICAL PROCESS CONTROL AN INTRODUCTION TO THEORY AND PRACTICE

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Observaciones: 1.

2. 3. 4. 5. 6.

Entregar tarea dos días antes del examen. Entregar trabajos tareas y prácticas en hojas blancas Para tener derecho a una 2do oportunidad solo con 2 unidades Asesoria necesaria para solicitar una 2da oportunidad sin tener  derecho(3xunidad) Entrega de practicas después de 15 días una vez realizada esta. Todo trabajo debe llevar portada que incluya ITCM,depto IQyB nbre materia ,nbre alum, nbre maestro, nbre tarea que incluya unidad correspondiente

 

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INSTRUMENTACION Y CONTROL

UNIDAD I Conceptos Básicos DEP.INGENIERIA QUIMICA Y  BIOQUIMICA

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INSTRUMENTACION. Conjunto de instrumentos de medición y de control para ajustar las variables de importancia en la manipulación del proceso.

CONTROL Mantener la condición deseada en un sistema físico ajustando la variable seleccionada en el sistema. El control puede ser manual o automático.

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6

 

¿COMO ES POSIBLE EL CONTROL? El Control es posible solamente si el ingeniero proporciona el equipo requerido durante el diseño del proceso. Comunicación Elemento final

v1

T A

Sensores

Interface y cuarto de control para el personal.

CB v2 DEP.INGENIERIA QUIMICA  Y BIOQUIMICA

Elemento final

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7

 

¿DONDE SE HACE EL CONTROL?

Sensores, indicadores local , y válvulas del proceso

Cuarto central de control

Visualización de variables, cálculos, y órdenes para las válvulas son dadas en el centro de cuarto de control. DEP.INGENIERIA QUIMICA  Y BIOQUIMICA

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IDENTIFICACION DE LAS VARIABLES EN UN

DV (Perturbaciones o

PROCESO.

Variables Desviación)

MV

Referencia Consigna

w

(Variable

manipulada)

C .V y

u Proceso

Regulador 

x

 SP (set point)

Transmisor 

C .V .V (Variable Controlada Salida del proceso) DEP.INGENIERIA QUIMICA  Y BIOQUIMICA

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Para el control de un proceso es indispensable, identificar los siguientes elementos:

. VARIABLE CONTROLADA Variable que se desea mantener a un valor  constante.

VARIABLE MANIPULADA. Corrige las desviaciones de la controlada.

variable

VARIABLE PERTURBABLE.  Aquella que provoca desviaciones en la variable controlada.  DEP.INGENIERIA QUIMICA  Y BIOQUIMICA

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OBJETIVOS DEL CONTROL DE UN PROCESO  Objetivos de Control 1. Seguridad 2. Protección ambiental 3. Protección de equipo 4. Operación uniforme 5. Producto de calidad 6. Ganancia 7. Monitoreo y diagnóstico

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Proceso de ejemplo: Separación Flash

T6

Vapor producto

P1

Alimentación Methane Ethane (LK) Propane Butane Pentane

T1

T2

F1

T4

F2

T5

1000 P kPa ≈

T

T3

≈

298 K 

L1

F3

Fluido de

Vapor

A1

Líquido producto

L. Key

proceso DEP.INGENIERIA QUIMICA  Y BIOQUIMICA

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1. Seguridad La seguridad es el requerimiento primario. Está ligada con determinadas variables de operación tales como: • Temperatura • Niveles T1 • Presiones T2 • Flujos

T6

PC

Vapor producto

T5

Alimentación

F1

 Alta presión en la columna es peligroso si el Sist. está diseñado mecánicamente para soportar una

T4

F2

Fluido de proceso

T3

L1

F3

Vapor

A1

Líquido producto

L. Key

presión a 1000inferior  KPa

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2. Protección ambiental A la atmósfera

Nunca descargar  hidrocarburos a la atmósfera

T6

T1

Vapor producto

P1

T5

T2

Alimentación T4

F1

F2

L1

F3

Fluido de proceso

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T3

Vapor

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A1

Líquido producto

L. Key

15

 

3. Protección de equipo Ningún flujo dañe la bomba

T6

T1

T2

T5

F1

T4

T3

P1

Vapor producto

Alimentación

F2

Fluido de proceso

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LC

F3

Vapor

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A1

Liquido producto

L. Key

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4. Operación uniforme Que Siempre se tenga una producción uniforme

T6

T1

Vapor producto

P1

T5

T2

Alimentación T4

FC

F2

Fluido de proceso

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T3

L1

F3

Vapor

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A1

Líquido producto

L. Key

17

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17

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5. Producto de calidad T6

Para lograrlo, por ajuste de calor o por un controlador 

T1

P1

Vapor producto

T5

T2

Alimentación

automático

T4

F1

F2

T3

L1

F3 AC

Fluido de proceso

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Vapor

L. Key

Líquido producto

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6. Ganancia Usar el menor  costo de calentamiento

T6

T1

Vapor producto

P1

T5

T2

Alimentación T4

F1

F2

T3

L1

F3 AC

Fluido de proceso

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Vapor

L. Key

Líquido producto

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7. Monitoreo y diagnóstico Cálculos y gráficas de los parámetros importantes T1

T6

Vapor producto

P1

T5

T2

Alimentación F1

T4

F2

Fluido de proceso

T3

L1

F3 A1

Vapor

Líquido producto

L. Key

UA DEP.INGENIERIA QUIMICA

time

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CONTROL MANUAL DE UN PROCESO.

Observar  Comparar  Decidir   Actuar 

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OPERACIÓN DE UN PROCESO NO AUTOMÁTICO Comparar  Decidir 

Respuestas

Cambios Proceso Actuar 

Medir  Respuesta dinámica

Operación manual o en lazo abierto

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SISTEMA DE LAZO ABIERTO Fe, Te Agua Fría

Vapor 

Condensados

* Variable a controlar : Temperatura y nivel * Variable manipulada: Flujo de agua y de vapor  * Perturbación: Fe, Te DEP.INGENIERIA QUIMICA

F.T. Agua Caliente

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AUTOMATIZACION La automatización de un proceso o de una planta química es para corregir todas las desviaciones, mediante la de conj co njun unto to de instr ins trum ument entos os instalación de medic medición ión uny manipulación del proceso que constituye el sistema de control.

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Lo que constituye el sistema de control es la automatización del proceso mediante la instalación de un conjunto de instrumentos de medición y manipulación del proceso.

OPERACIÓN AUTOMÁTICA

LT

DEP.INGENIERIA QUIMICA

LC

Medir  Comparar  Decidir   Actuar 

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OPERACIÓN AUTOMÁTICA  

Cambios

Regulador 

Respuestas

Proceso Actuar 

Valores Deseados

Operación en lazo cerrado DEP.INGENIERIA QUIMICA

Medir 

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Los 2 objetivos básicos que se deben de cumplir  en el control automático es la seguridad y el de operar  estable (operación uniforme).

Variable Controlada

t DEP.INGENIERIA QUIMICA

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ELEMENTOS DE CONTROL AUTOMÁTICO Sensor o Elemento Primario: Primario:

Mide la variable a controlar. Su principio es el de medir el elemento físico cuya magnitud está relacionada con el valor de la variable a controlar. Tipos de sensores: - Termopares - Termo-resistencias(medidores de temperatura) - Placas de orificio (mide caudal) -- Flotador (mide nivel) IR-Infrarrojo (mide composición)

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ELEMENTOS DE CONTROL AUTOMÁTICO

Transmisor o Transductor.

El efecto físico producido por el sensor es convertido en una señal eléctrica o neumática que puede ser transmitida a distancia e interpretada por el controlador.

 

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Transmisores • Se Seña ñall neumá eumátitica ca:: 0.2 0.2 - 1 Kg/c Kg/cm m2 3 - 15 psi • Señal eléctrica: 4 - 20 mA mA 1 - 5 V cc, .... •• O Frteracsu:encia: • Señal digital: DEP.INGENIERIA QUIMICA

p u l s o s / t i e m p o RTD, Contactos,... HART, Fieldbus, RS-232...

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31

 

Transmisor de presión Sensor  Piezoeléctrico

Señal normalizada Circuito electrónico

Presión

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 Amplificación Filtrado Calibrado Potencia Normalización

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Transmisores de Temperatura

• De bulbo • • • •

RTD (Pt100 0ºC 100Ω) Termistores (Semiconductores) Termopares E, J, K, RS, T Pirómetros (altas temperaturas, radiación)

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4-20 mA mA Transmisor 

FC

•La señal de corriente es la misma en cualquier punto de la línea •Puede diferenciarse una avería o ruptura de línea del rango inferior de medida •Pueden conectarse un número máximo de cargas o instrumentos DEP.INGENIERIA QUIMICA

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HART LT

4-20 mA 1011..

Unidad HART

RS-232

PT Comunicación digital superpuesta a la señal de 4-20mA Permite realizar test, calibrado,.etc DEP.INGENIERIA QUIMICA

FT

desde el ordenador o módulo de mano

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Transmisores de Caudal

• Presión diferencial • • • • •

Electromagnéticos Turbina Vortex Efecto Doppler  Másicos (Coriolis) …..

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Transmisores de presión • Presión absoluta • Presión manométrica • Presión diferencial Medidas basadas en: •Desplazamiento •Galgas •Piezoelectricidad DEP.INGENIERIA QUIMICA

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Transmisores de nivel

• Desplazamiento  –  – Flotador  Fuerza: Principio de Arquímedes • Presión diferencial •• Capacitivos Ultrasonidos • Radar 

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Terminología (SAMA) Rango

• • Span • Error dinámico • Precisión

• Sensibilidad • Repetitividad • Zona muerta e Histéresis

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39

 

Campos de medida(rango - range): Este concepto deriva de las definiciones de estadística y se refiere a la distancia entre el menor valor y el mayor valor de la capacidad de medida del instrumento, en unidades de medida de la variable que se desea medir (mesurando). Se expresa por  los dos valores extremos.

 Alcance ( span) En el caso de instrumentos, al rango se lo divide en escalas para poder “leer” valores interme i ntermedios. dios. La distancia - en valor  absoluto- entre el menor y el mayor valor de la escala se lo denomina longitud o ancho de escala o alcance (span en inglés).

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40

 

Exactitud y precisión Exactitud(accuracy): Grado de concordancia entre el  resultado de unaesmedición el valor verdadero mesurando.Este un valorycualitativo, pues pordel norma

la expresión numérica está dada por la incertidumbre de medición.

Precisión: Según la ISO 3534-1 es la concordancia entre los resultados obtenidos en mediciones independientes realizadas bajo las mismas condiciones estipuladas. Tanto este término como el de exactitud no tienen cabida en expresiones metrológicas acorde a las guías de expresión y evalucación de incertidumbre de medición, tan sólo pueden usarse como expresiones cualitativas y en general deberían evitarse.

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Transmisores

Calibrado: Calibrado:

20 mA

lectura = f ( valor real )  Ajustes de Cero y Span

4 mA mA mA = 0.2667 ºC - 1.3333

20 ºC 80ºC Rango: 20 - 80 ºC Spa pan: n:

80 80-2 -20 0 = 60 ºC

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Transmisores

Error de llinealidad inealidad

20 mA

Debido a la de la no linealidad curva de calibrado real 4 mA mA

Valor real % span 80ºC 20 ºC Valor indicado

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Transmisores Zona muerta: muerta: Cambio en la variable medida que no altera la lectura. % del span

20 mA

4 mA mA

Zona muerta 20 ºC

80ºC

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Transmisores 20 mA Repetitividad 4 mA mA 20 ºC

80ºC

Repetitividad: Repetitividad: Capacidad de obtener la misma lectura al leer el mismo valor  de la variable medida en el mismo sentido de cambio. % del span Histéresis: Histéresis: Lo mismo pero en sentidos distintos de cambio.

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Sensibilidad Es la relaciónde (cociente) entre(olaseñal variación observada la indicación instrumento de salida) y la en variación real en el mesurando a partir de una condición estable o de reposo. Suele indicarse como porcentaje del alcance o span. Ejemplo El medidor de presión tiene una sensibili sensibilidad dad de ±0.05%, el valor será: ±0.05x280/100 = 0.14 cmHg/cmHg.

45

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20 mA

TransmisoresSensibilidad: Sensibilidad:

Cambio en la lectura correspondiente a un cambio unidad en la variable

4 mA mA

% del span 20 ºC

80ºC 1 unidad

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Histéresis La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por  ciento del alcance de la medida. Ejemplo: Si en un manómetro de 0 – 20 psig, para el valor de la variable de 10 psig, la aguja marca 9.8 al subir la la presión desde 0, e indica 10.2 al bajar la presion desde 20 psig, el valor de la histéresis es: [(10.2 – 9.8)/ (20 – 0)] = 0.02 %.

47

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Histéresis

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Zona muerta Es el rango de valores del mesurando para el cuál el instrumento no varia su indicación o señal de salida. Suele ser indicada como un porcentaje de dellaalcance del instrumento. Es uno de los componentes histéresis.

Repetibilidad Es la capacidad de reproducción de la indicación o señal de salida de un instrumento o también el grado de concordancia de los resultados al medir repetidas veces el mismo valor del mesurando, en las mismas condiciones, con el mismo observador  y en el mismo sentido de la variación, de modo a anular el efecto de la histéresis. Se toma siempre el peor caso o valor máximo y puede expresarse cuantitativamente en términos de las características de la dispersión de los resultados. Fiabilidad (Reliability) Probabilidad de que un intrumento continúe comportándose dentro de límites especificados de error a lo largo del tiempo ti empo de uso del instrumento y bajo las condiciones especificadas por el fabricante.

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Pt-100 0ºC

100Ω

La resistencia eléctrica cambia con la temperatura Puente eléctrico para la conversión a señal eléctrica de tensión

Margen de empleo: -200 500ºC Sensibilidad: 0.4 Precisión: 0.2% Ω/ºC

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Controlador. 

Recibe la señal de la variable medida y calcula la la acción del control según el algoritmo. Éste cálculo se traduce en un valor de la señal estándar de salida que se envía al elemento final.

w Controlador 

Elemento final u Proceso

4-20 mA

4-20 mA

Transmisor 

y

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Controladores

• Generan una señal de control normalizada al actuador en función del valor medido de la variable que se quiere controlar y de su valor  deseado. Variable Error  Cálculo y

Referencia +

-

normalización

Variable controlada

manipulada 4-20 mA

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4-20 mA

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Tipos de controladores  Analógicos  Analógicos

 

Controladores neumáticos Controladores electrónicos



Digitales

Microprocesador 

Ganancia: Variación de la salida entre la entrada. Set-Point: Es el punto de ajuste del valor deseado. Bias: Es el valor de ajuste del controlador (referencia)

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Controladores

• Tecnologías:  – Neumática  – Electrónica  – Digital

• Controladores de lazo (PID) •  Autómatas (PLC) • Sistemas de Control Distribuido (DCS)

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Control por ordenador (PC)

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Controlador  SP 45 PV 45.5

MV 38 %

4-20 mA del transmisor 

4-20 mA al actuador 

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w Controlador 

u

 Actuador  Proceso

y

4-20 mA 4-20 mA

Transmisor 

Las señales de entrada y salida al regulador son señales normalizadas, normalmente de 4-20 mA

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CLASIFICACIÓN SEGÚN SU ALGORITMO 

Control Proporcional (P) m(t )

= m +  Kce(t )

m( s )

ó

 E ( s )

Modulo Tiempo

= Kc

Modulo Laplace

m( s )

=  F [ s ]

m = la señal del bias Kc = Ganancia M(t) = señal de salida del controlador 

e(t) = Yr(t) – Ym(t) Yr(t) = valor deseado Ym(t) = valor medido

Solo

tiene un parámetro a modular 



Siempre hay un error de medición

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Ganancia

Respuesta de salida

t

Si la Ganancia es pequeña el error es grande Ganancia = Variable de salida Variación de la entrada

∆Y  Ganancia = ∆ X 

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

Control de Acción Proporcional Integral (PI)  1 m(t ) = m +  Kc e(t ) + τ   I  

 ∫ e(t )dt 

ó

Modulo Tiempo Parámetros

 1  =  Kc 1 +   E ( s ) τ    s  

 M  ( s )

 I 

Modulo Laplace

a Modular:

Kc = Ganancia τ I = constante de tiempo de integración Este

es el tipo más usado en la industria, elimina el error  integrándolo hasta cero

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

Control Proporcional Derivativo (PD)  m(t ) = m +  Kc e(t ) + τ  d  

de(t ) 

 d (t ) 

Modulo Tiempo Tiene

 M ( s )  E ( s )

=  Kc[1 + τ  d  s ]

Modulo Laplace

dos parámetros a modular:

Kc= Ganancia τ d = constante de tiempo derivativo Hay

situaciones que no alcanza el estado estacionario, por ello es necesario la parte parte integral. integral.

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

Control Proporcional Integral Derivativo (PID)

 1 m(t ) = m +  Kc e(t ) + τ   

∫ e(t )dt  +

τ   0

de(t ) 

 M  ( s )

dt 

 E   s

 I 

Modulo Tiempo

 

Tiene tres parámetros a modular: Ganancia Kc= τ I = constante de tiempo de integración τ d = constante de tiempo derivativo

  1 =  Kc 1 + + τ  0 s 

( )  Modulo Laplace

τ  

 I 



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TERMINOLOGÍA DE INSTRUMENTOS 1ª letra  A D E F

análisis densidad voltaje caudal

IJ L M

coorterinecnitae p nivel humedad

P S T V W

vpereloscióidnad temperatura viscosidad Peso

letra:  1ª letra:  2ª letra:

3ª y sig:

variable medida o relacionada puede cualificar a la primera D diferencial F relación S seguridad Q integración Función del Instrumento I indicador  R registro C control T transmisor   V válvula Y cálculo

Z

H L

posición

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alto bajo 64

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Instrumentos

PDT

LRC

PIC

DT

FY

FFC

ST

TDT

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Terminología Perturbación Variable Controlada LT

Referencia LC

Variable Manipulada

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Terminología Conexión del proceso Transmisión de señal neumática Transmisión de señal eléctrica

L L L L

Transmisión de señal hidráulica Transmisión de señal sin hilos

X X X X

Tubo Capilar 

66

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67

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NIVELES DE CONTROL AUTOMÁTICO  

• Control Regulador Básico: Retroalimentado o Feedback. •  Control Avanzado: Anticipativo o Feedforward, Cascada, Razón, Feedback-feedforward.

CONTROL FEEDBACK :

Hace uso de una salida de un sistema para influenciar una entrada del mismo sistema.  Entrada = causa

Salida = efecto

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CONTROL FEEDBACK I/P

LC

Fe, Te Elemento final LT

Vapor 

I/P

Condensados

TC

TT

F.T. Agua Caliente

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CONTROL FEEDBACK Tc

GL

m

Tsp TC

Q

m’ I/P

Válvula

Sensor / Transmisor 

T Proceso

T

Error

Tsp T

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Feedforward  p a

u

FY FT

w

Fv q

TC TT

T

Condensado

Respuesta ante cambios en el caudal q : La salida del controlador se modifica de acuerdo a los cambios de q para compensar su efecto en T

cambios de q para compensar su efecto en T DEP.INGENIERIA QUIMICA  Y BIOQUIMICA  

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71

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72

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Control Razón

SP

B

B/(A+B)

FX FC MULT. B FI

 A

 A+B

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Función de transferencia Una función de transferencia  es la variable de salida, Y(s), dividida por la variable de entrada, X(s), con todas las condiciones iniciales cero. G(s) = Y(s)/X(s)

Y(s) = G(s) X(s)

X(s)

G(s)

Y(s)

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Elemento final:

Este esté representado porvariable una válvula o una bomba de velocidad .

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 " La La habilidad es lo que permite hacer 

ciertas cosas. La motivación determina lo que se hace. La actitud determina cuán bien se hace".  

Lou Holtz  ¡Gracias!