UNIDAD 4

ACTIVIDAD: INVESTIGACION UNIDAD 4 CONTROLADORES

ÍNDICE Unidad 4.-Controladores 4.1 Aplicaciones de Sistemas de Lazo Abierto y Lazo Cerrado 4.2 Modos de Control aplicados en instrumentación:

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4.2.1 On-Off. On-Off con histeresis

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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

4.3 Criterios para la Selección de un controlador 4.4 Sintonización de Controladores

INTR OD UC CIÓN

CONTROLADORES

El controlador es una componente del sistema de control que detecta los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado “set point”, programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador. Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno o más procesos. Existen diferentes métodos a los cuales tienen un enfoque particular y se aprenderá al finalizar esta unidad.

UNIDAD 4 SISTEMAS DE CONTROL EN LA ZO ABIERTO

En ellos la señal de salida no influye sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de su programación previa. Es preciso se prever las relaciones que deben darse entre los diferentes componentes del sistema, a fin de tratar de conseguir que la salida alcance el valor deseado con la exactitud prevista. El diagrama de bloque de un sistema en lazo abierto es:

Estos sistemas se controlan directamente, o por medio de un transductor y un actuador . En este segundo caso el diagrama de bloques típico será:

La función del transductor es modificar o adaptar la señal de entrada, para que pueda ser procesada convenientemente por los elementos que constituyen el sistema de control.

Lavadora: a de la ropa” no afecta al funcionamiento de la lavadora.

Semáforos de una ciudad Funcionan sobre una base de tiempo Variable de salida “estado del tráfico” no afecta el funcionamiento del sistema  

SISTEMAS DE CONTROL EN LA ZO CERRADO

El control retroalimentado o a lazo cerrado tiene la característica de que medimos cierta cantidad de la salida y luego la comparamos con un valor deseado, y el error resultante lo utilizamos para corregir la salida del sistema.

EJEMPLO:

CONTROL IL UMINACIÓN DE CAL LES 

El sistema de control, a través de un transductor de realimentación, conoce en cada instante el valor de la señal de salida. De esta manera, puede intervenir si existe una desviación en la misma.

El CONTROL ON/OFF.

Tomemos por ejemplo, el caso de un horno eléctrico. La temperatura aumenta al activar las resistencias calentadoras mediante un contacto, gobernado a su vez por un relé dentro del controlador. El modo de control ON/OFF es lo más elemental y consiste en activar el mando de calentamiento cuando la temperatura está por debajo de la temperatura deseada SP y luego desactivarlo cuando la temperatura esté por arriba.

CONT ROL ON/OF F CON HISTÉRESIS 

Incluso para reducir aún más el desgaste a veces se efectúa un control ON/OFF con histéresis, es decir que el mando de calentamiento se activa unos pocos grados por arriba del SP y se desactiva unos grados por abajo del SP, provocando por supuesto una mayor fluctuación de la temperatura pero menor funcionamiento de los contactores. El control ON/OFF con histéresis se usa generalmente en cámaras frigoríficas donde la temperatura debe estar dentro de un rango y se desea activar y desactivar lo menos posible los motores del sistema de refrigeración.

PROPORCIONAL

 Acción de control proporcional para un controlador con acción de control proporcional, la relación entre la salida del controlador U(T) y la señal de error E(T) es: Ut=KPET o bien, en cantidades transformadas por el método de la place uses=KP en donde KP se considera la ganancia proporcional cualquiera que sea el mecanismo real y la forma de la potencia de operación, el controlador proporcional es, en esencia, un amplificador con una ganancia ajustable. El controlador proporcional es el tipo más simple de controlador, con excepción del controlador de dos estados (del cual se hace mención en la primera parte del texto) la ecuación con que se describe su funcionamiento es la siguiente: MT=M+KCRT-CT O MT=M+KCET DONDE:

M(T) = salida del controlador, PSIG o MA R(T) = punto de control, PSIG o MA C(R) = variable que se controla, PSIG o MA; ésta es la señal que llega del transmisor. E(R) = señal de error, PSI o MA; ésta es la diferencia entre el punto de control y la variable que se controla. KC = ganancia del controlador, PSI/PSI o MA/MA M = valor base, PSIG o MA. El significado de este valor es la salida del controlador cuando el error es cero; generalmente se tija durante la calibración del controlador, en el medio de la escala, 9 PSIG o 12 MA . PROPORCIONAL + INTEGRAL

La mayoría de los procesos no se pueden controlar con una desviación, es decir, se deben controlar en el punto de control, y en estos casos se debe añadir inteligencia al controlador proporcional, para eliminar la desviación. Esta nueva inteligencia o nuevo modo de control es la acción integral o de reajuste y en consecuencia, el controlador se convierte en un controlador proporcional-integral (PI). La siguiente es su ecuación descriptiva: MT=M+KCRT-CT+KCΤIRT-CTDT MT=M+KCET+KCΤIETDT Donde ΤI = tiempo de integración o reajuste minutos/repetición. Por lo tanto, el controlador pi tiene dos parámetros, KC, Y ΤI , que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. Para entender el significado físico del tiempo de reajuste, ΤI , considérese el ejemplo hipotético que se muestra , donde 7, es el tiempo que toma al controlador repetir la acción proporcional y, en consecuencia, las unidades son minutos/repetición. Tanto menor es el valor de ΤI , cuanto más pronunciada es la curva de respuesta, lo cual significa que la respuesta del controlador se hace más rápida.

PROPORCIONAL + DERIVATIVO

Es de nuestro estudio saber que los principales controladores se realizan por medio un amplificador simple con ganancia K. Este se le conoce como control proporcional. En consecuencia se debe de considerar un controlador en tiempo continuo como aquel que contiene componentes tales que como sumadores, amplificadores, atenuadores, diferenciadores e integradores. En la presente práctica se tiene un controlador en serie del tipo proporcional derivativo (PD) con la función de transferencia: Gc(S)=Kp+KDS Entonces se tiene la señal de control aplicada al proceso: U(T)=KPE(T)+KD*(DE(T))/DT En donde KP y KD son las constantes proporcional y derivativa.  Así pues un PD en esencia un control anticipatorio. Y tendrá un efecto en el error en estado estable sólo si el error varía con respecto al tiempo.  Además que es un filtro pasa altas. Pero tiene desventaja porque éste acentúa el ruido a altas frecuencias.

PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVATIVO

 Algunas veces se añade otro modo de control al controlador pi, este nuevo modo de control es la acción derivativa, que también se conoce como rapidez de derivación o pre actuación; tiene como propósito anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la rapidez para el cambio del error, su derivada. La ecuación descriptiva es la siguiente: MT=M+KCET+KCΤIETDT+KCΤDD ETDT Donde ΤD= rapidez de variación en minutos por lo tanto, el controlador PID se tiene tres parámetros, C O PB, Τ I O ΤIR y ΤD que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. Nótese que solo existe un parámetro para ajuste de derivación, ΤD , el cual tiene las mismas unidades, minutos, para todos los fabricantes. Como se acaba de mencionar, con la acción derivativa se da al controlador la capacidad de anticipar hacia dónde se dirige el proceso, es decir, “ver hacia adelante”, mediante el cálculo de la derivada del error. La cantidad de “anticipación” se decide mediante el valor del parámetro de ajuste, ΤD los controladores PID se utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. Ejemplos típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración. Los procesos en que las constantes de tiempo son cortas (capacitancia pequeña) son rápidos y susceptibles al ruido del proceso, son característicos de este tipo de proceso los circuitos de control de flujo y los circuitos para controlar la presión en corrientes de líquidos. Considérese el registro de flujo que se ilustra en la aplicación del modo derivativo solo da como resultado la amplificación del ruido, porque la derivada del ruido, que cambia rápidamente, es un valor grande. Los procesos donde la constante de tiempo es larga (capacitancia grande) son generalmente amortiguados y, en consecuencia, menos susceptibles al ruido; sin embargo, se debe estar alerta, ya que se puede tener un proceso con constante de tiempo larga, por ejemplo, un circuito de temperatura, en el que el transmisor sea ruidoso, en cuyo caso se’ debe reparar el transmisor antes de utilizar el controlador PID. En resumen, los controladores PID tienen tres parámetros de ajuste: la ganancia o banda proporcional, el tiempo de reajuste o rapidez de reajuste y la rapidez derivativa. La rapidez derivativa se da siempre en minutos. Los controladores PID se recomiendan para circuitos con constante de tiempo larga en los que no hay ruido. La ventaja del modo derivativo es que proporciona la capacidad de “ver hacia dónde se dirige el proceso” .

SINTONIZACIÓN DE CONTROL ADO RES

La sintonización de los controladores se realiza sin que se disponga de dicha información y resulta sumamente útil en los casos en que la obtención del modelo del proceso es muy engorrosa. Los métodos de diseño utilizan restricciones particulares impuestas a la respuesta deseada que permiten determinar con precisión los parámetros del controlador, en tanto que en el caso de la sintonización de un controlador, dichos parámetros se van ajustando de forma tal que se obtenga una respuesta temporal aceptable. CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE CONTROL ADO R

Controlador Controlador On-Off Casi siempre se usa en aplicaciones donde es posible ejecutar acción de control tanto positiva como negativa. Tal sería el caso de un posicionador por cambio en el sentido de giro de un motor, o un sistema térmico que cuente con la posibilidad de calentamiento y enfriamiento Controlador p se usa comúnmente cuando sea tolerable un error en régimen permanente cuando el sistema no sea autorregulado Controlador PD Se puede utilizar un controlador PD para mejorar el comportamiento de un sistema en el sentido de reducir notablemente el tiempo de respuesta mientras se mantiene un grado satisfactorio de estabilidad relativa. La acción deriva es sensible al ruido ya que a altas frecuencias tiene una ganancia relativamente elevada. Amplifica el ruido existente. Puede aumentar el error estático. Controlador PI en este controlador el error estacionario debe ser inaceptable y su dinámica de proceso rápida. Cuando el desfase que introduce el proceso moderado elimina el error en régimen permanente cuando hay retardos en el proceso. PID es procesos lentos con multiples capacidades en serie, en bucles de temperatura y presión de vapor cuando la dinámica es lenta pues la acción produce respuestas más lentas con grandes oscilaciones. Si no hay ruido y se desea incrementar la velocidad de respuesta. No se debe utilizar en procesos con grandes tiempos muertos.