PRCTICA N 4: EVALUACIN DEL MDULO DE CONTROL DE TEMPERATURAControlador PIDPrecisin y Eficiencia en el control y en el Manejo de energa Trmica

1. RESUMEN EJECUTIVO:2. INFORMACIN BSICA: A. Introduccin y Antecedentes:B. Objetivo General:

Evaluar el funcionamiento del circuito de control del mdulo Bao de Temperatura para determinar la precisin y efectividad de los elementos de control (sensor, actuador, controlador), y la eficiencia en el manejo trmico.

Objetivos Especficos:

1. Determinar experimentalmente el nivel de correspondencia entre el set point, el controlador, y el sensor del mdulo Bao de Temperatura, en el rango de temperatura requerido. 2. Determinar la eficiencia trmica entre el Generador de agua caliente y el tanque emulsificador donde se requiere una determinada temperatura en el reactor. 3. Plantear los ajustes necesarios para mantener las operaciones bajo control.

Esquema del Mdulo

C. Bases Tericas:

Controles de Temperatura de Lazo Simple: Este tipo de control, compara la seal del sensor con una seal interna deseada (set point), y ajusta la salida del dispositivo calefactor para mantener, tan cerca como sea posible, el equilibrio entre la temperatura medida y la temperatura deseada. La seleccin de tipo control de temperatura adecuado para una aplicacin dada, depende del grado de control requerido.

Control SI/NO (ON/OFF):

Es la forma ms simple de control. Trabaja como el termostato del hogar, o sea la salida del control es 100 % SI o 100 % NO. La sensibilidad del control sino (tambin llamado "histresis" o "banda muerta") se disea de modo que la salida no cambie de si a no demasiado rpido. Si el rango de histresis es muy angosto, habr una conmutacin demasiado rpida que se conoce como traqueteo. Este traqueteo hace que los contactos de los contactores y elementos calefactores tengan una vida ms corta. Entonces la histresis deber ajustarse de modo que haya un retardo suficiente entre los modos "si" y "no". Debido a la necesidad de esta histresis habr siempre lo que se llama "overshoot" y "undershoot". El "overshoot" es la magnitud en que la temperatura rebasa a la del setpoint, el "undershoot" es lo contrario. Vea la figura 1a. Debido a la histresis necesaria, esta oscilacin de temperatura estar siempre presente, la magnitud de esta oscilacin depended de las caractersticas del sistema trmico en cuestin.

Control Proporcional:

En este tipo de control la salida depende directamente del error. Se define como error a la diferencia entre el valor real o Medido y el valor de consigna o Set Point correspondientes a la variable del proceso que se est controlando.

Donde:

E = Error M = Medicin (Valor Real) SP = Set Point (Valor Consigna). En el control proporcional la relacin entre la salida y el error es proporcional o lineal.

Donde:

Sp = Salida ProporcionalKp = Ganancia Proporcional E = Error

La ganancia Kp es un parmetro que es ajustable en los controladores industriales. Usualmente se emplea en lugar de la ganancia proporcional Kp otro parmetro llamado Banda proporcional (BP) la cual se define como l % del error que produce el 100% de la salida.

Se puede ver la relacin entre estos dos parmetros en la siguiente grfica

Control Integral: El modo de control Integral tiene como propsito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral acta cuando hay una desviacin entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviacin en el tiempo y sumndola a la accin proporcional.

El error es integrado, lo cual tiene la funcin de promediarlo o sumarlo por un perodo determinado; luego es multiplicado por una constante Ki o Ganancia integral. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propsito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario.

La ecuacin para el controlador PI sera:

Esta es una de las razones de por qu los controladores PI son tan comunes:

Control PID:

Un refinamiento adicional consiste en dotar al controlador de una capacidad anticipativa utilizando una prediccin de la salida basada en una extrapolacin lineal.

Esto se puede expresar matemticamente como:

La accin de control es as una suma de tres trminos que representan el pasado por la accin integral del error (el trmino-I), el presente (el trmino-P) y el futuro por una extrapolacin lineal del error (el trmino-D).

El trmino es una prediccin lineal del error Td unidades de tiempo en el futuro. Los parmetros del controlador se llaman: ganancia proporcional K, tiempo integral Ti, y tiempo derivativo Td.

Se ha comprobado empricamente que el controlador PID es capaz de resolver un amplio espectro de problemas de control. Hay controladores ms complejos que difieren del controlador PID porque utilizan mtodos ms sofisticados para la prediccin.

D. Identificacin y Anlisis de variables:E. Presentacin de los modelos matemticos a emplear y del algoritmo correspondiente:

F. Materiales y equipos:

Mdulo de Control de Temperatura Termocupla Termmetro Probeta de 500 Cinta Mtrica Jarra de 2 lt Agua lquida Cronmetro

Procedimiento Experimental:

1. Observar los materiales y equipos. 2. Elaborar un esquema detallado del mdulo (Para presentar en el informe). 3. Familiarizarse con el manejo de los instrumentos en funcin de los objetivos de la prctica. 4. Llenar el Tanque Bao a un nivel predeterminado. 5. Establecer el Set point. 6. Una vez alcanzada la temperatura en el Bao, conectar bomba para llevar agua caliente al emulsificador. 7. Lograr estado estacionario en el sistema con el tanque emulsificador vaco. 8. Llenar el tanque del emulsificador y evaluar calentamiento. 9. Cuidar en todo la seguridad en la operacin.

G. Diseo de Experimentacin:

Tabla 1

Tiempo (min)Temp. del sensor controlador

016

0,5817

5,3320

0,1727

14,3333

16,1335

17,7737

20,6537

22,3336

24,1533

25,4233

27,1734

28,1734

30,1736

32,0037

34,0037

36,1736

38,0737

42,3336

45,0035

47,0035

49,6735

54,5334

56,0034

3. Resultados:Esta dinmica de temperatura ya est inscrita en otra.

Tabla 2

Tiempo (min)Temperatura del Sensor Externo

Termmetro

019

0,5820

5,3328

10,0039

14,3347

16,1350

17,7753

25,4243

27,1745

28,1747

30,1748

32,0050

34,0049

36,1748

38,0747

42,3346

45,0046

47,0045

49,6745

54,5343

esta tambienesta tambin.Tabla 3

Tiempo (min)Temperatura del Sensor Externo

Termocupla

018

0,5820

5,3327

10,0037

14,3345

16,1349

17,7752

23,3341

24,1540

Esta si puede resultar tilpor separado, si se muestra con su tabla para interpretar.Tabla 4

Tiempo (min)% actuador

00tiempo muerto

0,39100se enciende

17,80se apaga

28,2100se enciende

320se apaga

56100se enciende

En la fig(siguiente) se representa el comportamiento de la variable controlable (Temperatura del agua de calentamiento) en el tiempo. La variable de proceso va estabilizndose hacia el set point, objetivo que se logra a los 45 minutos aproximadamente. Sin embargo se ve de nuevo inestabilidad a los 50 minutos. Se representa tambin las temperaturas medidas con instrumentos externos al sistema de control (termmetro y termocupla) y una curva cualitativa para el comportamiento del actuador. Comportamiento del circuito: Figura 5: Comportamiento de la Temperatura en funcin del Tiempo

Tabla 5

Temp de sensor controlador (C)Temperatura del Sensor ExternoError sensor y termmetro (Ttermmetro - Tsensor)

Termmetro

16193

17203

20288

273912

334714

355015

375316

334310

344511

344713

364812

375013

374912

364812

374710

364610

354611

354510

354510

34439

Tabla 6

Temp de sensor controlador (oC)Temperatura del Sensor ExternoError sensor y termcupla (Ttermocupla - Tsensor)

Termocupla

16182

17203

20277

273710

334512

354914

375215

33407

4. Resultados:

5. Discusin:6. Conclusiones:7. Anexos: