Download - Control de Procesos Sena

C.E.A.I.C.E.A.I. CEVICACEVICA 11

CONTROL DE PROCESOS

1. INTRODUCCION

2. T ERMINOLOGIA DE CONTROL

3. IDENTIFICACION DE PROCESOS

4. CONTROLADORES REALIMENTADOS

5. SINTONIA


INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOSINTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOS

Concepto de Sistema.Concepto de Sistema.

Es un conjunto de elementos, interrelacionados entre sí, los cuales

se caracterizan por tener unos parámetros inherentes que los definen,

y por mostrar unas condiciones físicas, susceptibles de evolucionar

en el tiempo.

Parámetros del sistema.Parámetros del sistema.

Parámetros específicos de cada elemento, normalmente constantes e

invariables en el tiempo.


Variables del sistema.Variables del sistema.

• Condiciones físicas de cada componente cambiantes con el tiempo.

• Determinan el estado del sistema en cada momento.

• Sus magnitudes y evolución vienen regidas por leyes específicas,

en función del tiempo.


Concepto de Bloque.Concepto de Bloque.

R1

i( t )i( t )v( t )v( t )Señal deSeñal deEntradaEntrada

Señal deSeñal de SalidaSalida

Función de Transferencia =Función de Transferencia = R1

Cada uno los elementos en que puede descomponerse un sistema

constituye un bloque.


Función de Transferencia o Transmitancia.Función de Transferencia o Transmitancia.

La ecuación o función matemática que en un bloque, relaciona la

variable de salida con la de entrada, se denomina Función de

Transferencia.

R1

i( t )i( t )v( t )v( t )

i( t ) = R1 * v( t )

G( t ) = Rtvti 1)()(

i( t ) = G( t ) * v( t )


Sistema Controlado.Sistema Controlado.

Proceso.Proceso.

Es un conjunto de equipos o dispositivos, ya sean mecánicos,

eléctricos, físicos, químicos, térmicos o de cualquier otra índole,

dispuestos de tal modo que puedan realizar las operaciones

necesarias con el fin de lograr un determinado objetivo.Sistema de Control.Sistema de Control.

Conjunto de dispositivos adicionales al proceso, que llevan o

permiten el control o regulación del proceso.

Sistema controlado.Sistema controlado.

Conjunto formado por el proceso y el sistema de control.


Control Manual en lazo Abierto.Control Manual en lazo Abierto.

Con el potenciometro se genera una tensión, consigna o setpointque el circuito de amplificación y disparo, controlador, procesaran para producir el encendido de los tiristores,elemento final de control, con un cierto ángulo. La energía entregada al motor depende del ángulo de disparo, por lo que lavelocidad de giro será proporcional a la señal de consigna.


Control Manual en lazo Cerrado.Control Manual en lazo Cerrado.

HornoHorno

T1T1

VálvulaVálvula CombustibleCombustible

Entrada Entrada ProductoProducto

Salida ProductoSalida Producto

ProcesoProceso. MedidorMedidor HombreHombre VálvulaVálvula


Proceso Controlado AutomáticamenteProceso Controlado Automáticamente

MedidaMedida

ControladorControlador VálvulaVálvula ProcesoProceso

MedidorMedidor

TransmisorTransmisor

PerturbacionesPerturbaciones

VariableVariablecontroladacontrolada

Señal de ControlSeñal de Control

VariableVariableManipuladaManipulada

DesviaciónDesviaciónErrorError

+

-

Punto dePunto deConsignaConsigna

SISTEMA DE CONTROL AUTOMATICOSISTEMA DE CONTROL AUTOMATICO


PerturbacionesPerturbaciones

1. Cambios en el valor deseado de la variable controlada.

2. Cambios debidos a exigencias o condiciones especificas

del proceso. Cambios de carga.

3. Cambios producidos por alteraciones ajenas a las

exigencias del proceso, de origen externo al mismo.


Realimentación. Feedback.Realimentación. Feedback.

Etapas de un Control Automático en Lazo Cerrado.Etapas de un Control Automático en Lazo Cerrado.

1. Medición de la variable controlada y transmisión de la

señal de medida al controlador.

2. Comparación entre el punto de consigna prefijado y la

señal de medida.

3. Partiendo de la señal de error, el controlador elabora su

señal de salida o señal de control.

4. La señal de salida del controlador es conducida al elemento

final de regulación.

5. Reacción del proceso, modificando el valor de la variable

controlada.

6. Nueva señal de medida, se cierra el circuito.


Componentes básicos de un Sistema de Control.Componentes básicos de un Sistema de Control.

TTTT

TCTC

ControladorControlador


SensorSensor

Elemento Final de ControlElemento Final de Control

VaporVapor

TTii(t)(t)T(t)T(t)

TT


Componentes básicos de un Sistema de Control.Componentes básicos de un Sistema de Control.

1. Sensor.Sensor.

Se conoce como elemento primario, están en contacto

directo con la variable, permitiendo la medida de la

misma2. Transmisor.Transmisor.

Se conoce como elemento secundario, reciben la variable

del proceso del elemento primario y convierten la señal

entregada por este en otra señal normalizada apta para ser

transmitida a distancia. Esta señal puede ser neumática, con un


3. Controlador.Controlador.

Cerebro del sistema de control, su función es la de

comparar la medida de la variable controlada con la consigna

establecida y como resultado ejercen una acción correctora que

permite que se iguale la medida con la consigna.

Rango de 3 a 15 PSI, o eléctrica entre 4 y 20 mA.Frecuentemente transmisor y elemento primario conforman un solo equipo.


4. Elemento Final de Control.Elemento Final de Control.

Frecuentemente se trata de una válvula de control, recibe la

señal correctora enviada por el controlador permitiendole

entregar mas o menos energía al proceso.


Operaciones Básicas de un Sistema de Control.Operaciones Básicas de un Sistema de Control.

1. Medición. ( M )Medición. ( M )

La medición de la variable que se controla se hace

generalmente mediante la combinación de sensor y

transmisor.

2. Decisión ( D )Decisión ( D )

Con base en la medición, el controlador decide que

hacer para mantener la variable en el valor que se

desea.

3. Acción ( A )Acción ( A )

Como resultado e la decisión del controlador se debe

efectuar una acción en el sistema, generalmente ésta

es realizada por el elemento final de control.


REPRESENTACION NORMALIZADA

Una norma para la representación de diagramas de

instrumentos y procesos P&D es la ISA-S5.1 . El instrumento

se representa por un circulo con un serie de letras en su interior

que indican su función y un numero que representa al bucle de

control al cual pertenece.


Letras usadas y su significado:

H MANUAL

I CORRIENTE

J POTENCIA

K TIEMPO

L NIVEL

M HUMEDAD

N LIBRE

O LIBRE

Q CANTIDAD

P PRESIO O VACIO

R RADIOACTIVIDAD

S VELOCIDAD O FRECUENCIA

T TEMPERATURA

U MULTIVARIABLE

V VISCOSIDAD

W PESO O FUERZA

X SIN CLASIFICAR

Y LIBRE

Z POSICIÓN

PRIMERA LETRA PARA DESCRIBIRVARIABLE DE MEDIDA.


LETRA DE MODIFICACION DE LA PRIMERA LETRA

D DIFERENCIAL

F RELACION

J EXPLORACIÓN

Q INTEGRACIÓN

S SEGURIDAD

Es opcional y sirve para modificar la anteriorCambiando el signicado de la variable medida.

Un instrumento PI mide e indica una presion absoluta

Un instrumento PDI mide e indica una presion diferencial.


LETRAS SUCESIVAS COMO FUNCION DE LA LETRA PASIVA

A ALARMA

B LIBRE

E ELEMENTO PRIMARIO

G VIDRIO

L LUZ PILOTO

N LIBRE

O ORIFICIO

P PUNTO DE PRUEBA

R REGISTRO

U MULTIFUNCIÓN

W VAINA

X SIN CLASIFICAR

Hace referencia al tipo de lectura


LETRAS SUCESIVAS COMO FUNCION DE SALIDAB LIBRE

C CONTROL

K ESTACION DE CONTROL

N LIBRE

S INTERRUPTOR

T TRANMISOR

U MULTIFUNCIÓN

V VÁLVULA

X SIN CLASIFICAR

Y RELE O COMPUTADOR

Z ELEMENTO FINAL DE CONTROLSIN CLASIFICAR

Se utiliza para designar el tipo de salida.


LETRAS SUCESIVAS COMO LETRA DEMODIFICACION

B LIBRE

H ALTO

L BAJO

M MEDIO O INTERMEDIO

N LIBRE

U MULTIFUNCIÓN

X SIN CLASIFICAR

Es modificadora y opcional, los terminosAlto, bajo y medio se refieren a valoresDe la variable medida.


TIC 103

T 103

103

TIC

T

IC

Identificación del instrumento o número de etiqueta

Identificación de lazo

Número de lazo

Identificación de funciones

Primera letra

Letras Sucesivas

NUMERO DE IDENTIFICACION TIPICO


SIMBOLOS PARA LA CONEXIÓN ENTRE INSTRUMENTOS

AS Alimentación de aire.ES Alimentación eléctrica.GS Alimentación de gas.HS Alimentación hidráulica.NS Alimentación de nitrógeno.SS Alimentación de vapor.WS Alimentación de agua.

Para indicar el tipo de alimentacionSe utilizan las siguientes abreviaturas


SIMBOLOS DE LINEAS

Conexión al proceso, enlace mecanico oAlimentacion del instrumento.

Señal neumatica o señal sin definir.

Señal electrica.

Tubo capilar.

Señal hidraulica.

Via de comunicaciones.

Señal electromagnetica.


CONTROL DE NIVEL


Algebra de Bloques.Algebra de Bloques.

Las variables se representan con letras minúsculas, mientras que las mayúsculas significaran las transmitancias de los bloques.

y = G* x

xyG

G* F = F * G

G + F = F + G

G*x + G * y = G ( x + y )

G * x + F * x = ( G + F ) * x

x - y = x + ( - y ) = x - ( + y )


Reglas Algebraicas.Reglas Algebraicas.

1. Bloques en Serie.Bloques en Serie.

yy

G*xG*xGG

xxFF

zz

F*y=G*F*xF*y=G*F*x G*FG*Fxx zz

G*F*xG*F*x

2.2. Bloques en paralelo.Bloques en paralelo.

GG

G*xG*x

FF

xx

F*xF*x

+

+ -

zz

(G+- F )x(G+- F )xG+-FG+-F

xx zz

(G+-F)*x(G+-F)*x


3.3. Transformación de un lazo sencillo de realimentación, en unTransformación de un lazo sencillo de realimentación, en unbloque único.bloque único.

GG

HHmm

xx ee

++--

zz

GH1G

xx zz

Z= G*e ; e = x - m ; m = H * zZ= G*e ; e = x - m ; m = H * z

z = x *z = x *GH1G


4.4. Traslación de un bloque dentro de un lazo de realimentación.Traslación de un bloque dentro de un lazo de realimentación.

GG

HHmm

FxFx

e= Fx - me= Fx - m

++--

zzFF

xx

zzFx-mFx-mx-m/Fx-m/F

m/Fm/F

xx

mm

FF GG

HH1/F1/F

GH1FGxz


Variables y Parámetros.Variables y Parámetros.

Sistemas Físicos.Sistemas Físicos.

• Eléctricos.

• Electrónicos.

• Neumáticos.

• Hidráulicos.

• Mecánicos.

• Químicos.

• Térmicos.

• Nucleares.


Parámetros.Parámetros.

• Inductancia.Inductancia.

• Masa.Masa.

• Volumen.Volumen.

• Constante elástica.Constante elástica.

• Calor específico.Calor específico.

• Viscosidad.Viscosidad.

• Conductividades diversas.Conductividades diversas.


Variables.Variables.

• Tensión.Tensión.• Intensidad.Intensidad.• Carga eléctrica.Carga eléctrica.• Caudal.Caudal.• Velocidad.Velocidad.• Aceleración.Aceleración.• Temperatura.Temperatura.• PH.PH.• Nivel.Nivel.• PresiónPresión• Concentración.Concentración.• Opacidad. Opacidad.


Variables.Variables.

Son magnitudes cambiantes en el tiempo, las cuales determinan el estado del sistema.


Reflejan las propiedades o características inherentes de componentes.

Tipos de Variables.Tipos de Variables.

Determinan el estado de un componente, su valor es cambiante en el tiempo, pueden ser expresadas por una función temporal.


1.1. Potencial o Fuerza Impulsora.Potencial o Fuerza Impulsora.

Son fuerzas generadoras o impulsoras de todos los fenómenos. Son fuerzas generadoras o impulsoras de todos los fenómenos. Generan el tipo de variable flujo.Generan el tipo de variable flujo.

• Potencial eléctrico o tensión.

• Presión.

• La temperatura.

• Fuerza física.


2.2. Flujo o CorrienteFlujo o Corriente.

Son generadas por las de tipo potencial. Se refieren al transporte ya sea masico o energético.

• Intensidad eléctrica.

• El flujo calórico.

• La velocidad de desplazamiento.

• La velocidad angular.


3.3. Carga o cantidad.Carga o cantidad.

Son consecuencia de la integración o la acumulación en el tiempoSon consecuencia de la integración o la acumulación en el tiempode las variables de tipo flujo.de las variables de tipo flujo.

• Volumen acumulado.

• El nivel.

• La carga eléctrica.

• La cantidad de calor.

• El desplazamiento.

• El ángulo de giro.



Son magnitudes constantes que definen las característicasfundamentales inherentes de los componentes más simples de un sistema.

Causa Efecto.

Entrada. Salida.

Se expresan por valores constantes, se representan con letras mayúsculas.


Tipos de parámetros.Tipos de parámetros.

1. Resistencia o su reciproco la conductancia.

Características de aquellos componentes que poseen una relaciónproporcional entre la diferencia de potencial a la que se encuentran sometidos y el flujo circulante.

(t)

P(t)R

θ

R Resistencia.

(t)θ Flujo como variable de entrada.

P(t) Diferencia de potencial como variable de salida.

P(t) = (t)θ R


Pertenecen a este tipo:

• Resistencia eléctrica.

• Fricción Viscosa.

• La conductancia calorífica.

• La resistencia que ofrece al paso de un fluido una restricción.


2.2. Capacidad.Capacidad.

Característica de aquellos componentes que muestran la propiedad de almacenar una carga, como consecuencia de la integración en el tiempo del flujo circulante.

Carga almacenada. Diferencia de Potencial.

Carga + diferencia de potencial. Energía almacenada.

dt θC

1 P(t)

q(t)C

1 P(t)

P(t)

q(t)C

dtq(t) θ

C Capacidad.q(t) Carga( variable intermedia.

(t)θ Flujo ( Variable de entrada.

P(t) Diferencia de potencial, variable de salida.


Pertenecen a este tipo.

• Capacidad, Capacitancia eléctrica.

• Capacidad volumétrica.

• Capacidad calorífica.


3.3. Inertancia.Inertancia.

Propiedad de aquellos componentes que se caracterizan porpresentar una inercia a los cambios de flujo.El potencial es proporcional a la velocidad de cambio del flujocirculante

PdtL

1θ(t) Pdtq(t)

q(t)L

1θ(t)

θ(t)

q(t)L

L Inertancia.q(t) Carga inercial( intermedia)P(t) Diferencia de potencial( IN)

(t)θ Flujo.( Variable de salida.


Pertenecen a este tipo:

• Inductancia de una autoinducción eléctrica.

• Propiedad inercial de una masa física.


RI(s) V(s)

V(t) = R *i(t) V(s) = R*I(s)

Rv(t)

v(t) R

1i(t) V(s) I(s)

R

1

I(t) = R

1 v(t)

I(s) = R

1 V(s)

i(t)


1/s 1/C

I(s) Q(s) V(s)

C

Q V

s

IQ

C

qv idt q

i(t) C

v(t)

v(t) Ci(t)

C s

V(s) Q(s) I(s)

QsI CV Q

dt

dqi Cvq


1/s 1/L

V(s) (s) I(s)

C

φI

s

Vφ

L

θi vdt θ

L s

I(s) (s) V(s)

φs V LIφ

dt

dθv Liθ

i(t) L

v(t)

v(t) Li(t)


IDENTIFICACION DE PROCESOS

• La meta del control de procesos es optimizar el proceso.

• La identifacion de un proceso es una manera de predecir como responderá el proceso bajo ciertas condiciones.

Valvula

Sensor

Salida

Cambio enEscalon

??


I/P Valvula Proceso dP/I

SalidaControlador%

ma

PSI Valvula Flujoma

Entrada alControlador%


Valvula

dP/I

I/P49.3Aut

Man

49.2

A\M

Entrada alProceso.

% PosicionValvula

0 – 100%

4 - 20ma

3 – 15 PSI

Salida delPoceso

% Flujo

4 – 20ma

0 – 100%


Ganancia Pura Integrador Primer orden mastiempo muerto

Primer Orden Segundo OrdenSubamortiguado


METODOLOGIA DE PRUEBA

La determinación exacta del modelo del procesousualmente requiere mas de una prueba.

1. El operador debe conocer cuanto puede ser movido

el elemento final de control.

No se pueden hacer pruebas que excedan la normal

operación del elemento final de control.

Si el elemento final de control es una válvula, el

controlador debe ser colocado en manual durante la

prueba.


2. La prueba se realiza en la porción lineal del elemento

final de control.

• Se pueden obtener diferentes modelos dependiendo

del rango en que esté operando el elemento final

de control.

• Para cada nivel de operación es necesario realizar

una prueba para determinar los parámetros del

modelo.


3. Se debe realizar la prueba en diferentes direcciones.

1X-2X

1X

Antes de mover el actuador en dirección contraria, asegurarse de que el proceso haya terminado de moverse.


MODELOS DE PROCESOS MAS COMUNES

El modelado de un proceso implica dividir el proceso

en partes pequeñas más trabajables. Una vez

determinados los parámetros del proceso estos se

utilizan para determinar los tipos de Controladores

necesarios y calcular los parámetros de sintonia.

Modelos a trabajar:

Ganancia Pura.

Primer orden.

Primer orden más tiempo muerto.

Integrador.


PROCESO DE GANANCIA PURA.

Valvula

Sensor

Salida

Cambio enEscalon

Respuesta Proceso

Y(t) = KP U(t)


Cálculo de KP

U

Cambio en la valvulaEntrada al proceso

KP = Cambio en el proceso (Y)Cambio en la entrada (U)

Y

Cambio en el proceso

El proceso se mueve KP veces el cambio en el actuador


PROCESO10%

Cambio en elactuador

30%

30%10%= 3KP=

Respuesta del proceso

PROCESO10%

Cambio en elactuador

3% 3%10%=0. 3 KP =

Respuesta del proceso


PROCESO DE PRIMER ORDEN

Un proceso de primer orden esta definido por dos parámetros.

• Ganancia del proceso KP.

• Constante de tiempo del proceso, P

P dY(t)dt

+ Y(t) = KP U(t)

Y(t) Salida del proceso.

U(t) Entrada al proceso.

P Constante de tiempo en bucla abierta.

KP Ganancia del proceso en bucla abierta.


Valvula

Sensor

Salida

Cambio enEscalon

Respuesta Proceso


GANANCIA DEL PROCESO

U

Cambio en el proceso Y Cambio en la entrada U

KP =

Cambio delproceso

Y


CONSTANTE DE TIEMPO

P = Tiempo de transicion dinámica4

Tiempo de transicióndinámica.


DEFINICION

La constante de tiempo es la cantidad de tiempo P que

le toma al proceso alcanzar el 63.2 % de su valor de estado estacionario.

U(t) KP respuesta de estado estacionario.

)τ

)τ

P

t

PK-

PK*U(t)Y(t)

P

t

e(1P

K*U(t)Y(t)

e

Pτ

t

eP

K

Respuesta transitoria.


Veces la constantede tiempo

% de Salida en estadoestacionario

1 63.2

2 86.4

3 95.02

4 98.1

5 99.3


EJEMPLO 1

VR + VC = V

dtdVcci

cQ

cV

VcVdt

cdVc*R

VcVi*R

*


Continuación

1s*c*R1G(s)

s*c*R

1

v(s)

(s)cv

s*c*R(s)cv

v(s)(s)cv(s)cv*s*c*R

1

)(1 sv

P =R*c


EJEMPLO 2

Concentracion en un tanque agitado.

dt2

dc*V

2c*q

1c*q

Entrada - Salida = Acumulación

q*c1

q*c2

Vc2


Continuación

1s*qV

1G(s)

qs*V

q

(s)1

c

(s)2

c

(s)1

c*qqs*V(s)2

c

(s)2

c*s*V(s)2

*cq(s)1

c*q

qV

Pτ


EJEMPLO 3.

NIVEL DE UN TANQUE CON RESTRICCION DE DESCARGA.q1

q2A

hk

hk2

q


Continuación.

Entrada - Salida = Acumulación.

dtdhA

dtdV

h*AV

dtdV

Es un caudal.

dtdhAhk

1q

dtdhA

2q

1q


Continuación.

hm

qm

Caudal.

Nivel


Continuación.

• Pendiente de la recta tangente.

mh

1k21m

mhhdh2

dqm

•Caudal medio de salida qm

m2hmq

m

mhmq

k

mhkmq


Continuación.

1s*mA

m1

G(s)ms*A

1(s)

1QH(s)

H(s)*m)s*(A(s)1

Q H(s)*mH(s)*s*A(s)1

Q

H(s)*mH(s)*s*A(s)1

Q H(s)*mH(s)*s*A(s)1

Q

H(s)*s*AH(s)*m(s)1

Qdtdh*Ah*m

1q

mA

Pτ

m1

PK

Constante del proceso.

Constante de tiempo.Analogías


MODELO DE PROCESO AUTOREGULADOR.


Valor Valorinicial

Valor final Cambio

Salida 35% 55% 20%Entrada 52.5% 82.5% 30%

Prueba.

1

Tiempo 9 Min 37 Min 28 Min

Gananciadelproceso.30/20 =1.5kP = 1.5

Constantede tiempo.28/4 = 7

P = 7 Min

Este ejemplo muestra un proceso autoregulador que puede ser modelado con dos parámetros


PROCESO NO AUTOREGULADOR. INTEGRADOR


U(t)= Flujo de entrada

Fi = Fo

U1U2

A B C D

Fi = Fo

Nivel Y1

t1

Y2

t2


Procesos IntegradoresProcesos Integradores

Los procesos integradores pueden ser definidos con un modelo deun parametro. El parámetro es la ganancia del proceso.

Cambio en la variable del proceso por unidad de tiempoCambio en la variable que lo produce

KP =


U(t)= Flujo de entrada

Fi = Fo

U1 = 10% U2 = -30%

A B C

Fi = Fo

Nivel

U3 = 20%

m1.m2.

20 In

m3.

m4.

80 In

100 In

0 10 30 70 Segundos


PRUEBA

VALOR VALORINICIAL

VALORFINAL

CAMBIO PENDIENTEm = MV / t

GANANCIAKP =m / F

NIVEL 80 80 0ANTESTIEMPO 0 10 10

m1 = 0

NIVEL 80 100 20FLUJO 30 40 10

1

TIEMPO 10 30 20

m2=(100-80)/(30-10)m2=1

KP =( m2- m1 )/FKP = (1 - 0) / 10KP = 0.1

NIVEL 100 20 -80FLUJO 40 10 -30

2

TIEMPO 30 70 40

m3=(20-100)/(70-30)m3=-2

KP =( m3- m2 )/FKP = (-2 - 1) / -30KP = 0.1

NIVEL 20 20 03TIEMPO 70 100 30

m4=(20-20)/(100-70)m4=0

KP =( m4- m3 )/FKP = (0 + 2) / 20KP = 0.1


CONTROL DE REALIMENTACION

FIC-100

PV SP OUT0

100

50

25

75

PV 45 GPM

R/L

A

CONTROLADOR


CONTROL REALIMENTADO ( FEEDBACK)

• Las acciones de control están basadas en el setpoint y la información realimentada de sensores y transmisores

• Los controladores realimentados tratan de mantener el valor de la variable del proceso medida igual al setpoint, basados en eventos pasados.

CONTROL ANTICIPATIVO ( FEEDFORWARD)

• Las acciones de control están basadas en eventos que cambiaran el valor de la variable del proceso.


TIPOS DE CONTROLES REALIMENTADOS

• CONTROL ON - OFF

• CONTROL PROPORCIONAL

• CONTROL INTEGRAL ( RESET)

• CONTROL DERIVATIVO ( RATE)


CONTROL ON - OFF. DE DOS POSICIONES

Setpoint


Continuación.

La forma más simple de control es el ON- OFF, o control dedos posiciones. Actúa semejante a un interruptor.

El elemento final de control está abierto o cerrado dependiendode la señal de error.Cuando el elemento final de control es una válvula, estará totalmente abierta o totalmente cerrada dependiendo si el valor medido es diferente del valor del setpoint.

SP

PROCESO

OFF

ON


REQUERIMIENTOS.

• No hay necesidad de un control riguroso.

• La velocidad de reacción del proceso es lenta. (Procesos Batch)

• El tiempo muerto es pequeño comparada con la velocidad de

reacción del proceso.

• Los cambios de carga son pequeños y poco frecuentes.


RESUMEN CONTROL ON-OFF FORMA SIMPLE.

• No requiere sintonía, barato.

• El error es detectado al comparar la señal de realimentación con

el setpoint.

• La válvula abre o cierra totalmente.

• Cuando el proceso alcanza el setpoint la valvula se cierra.

• Se esperan ligeros sobrepasos.


CONTROL PROPORCIONAL

Esta estrategia de control permite al elemento final de controlposicionarse entre el ON y el OFF.

KC

Valor medidoDesde el sensor

Setpoint Error

+- Ganancia del

controlador

Salida haciala valvula.

Desviación.Reset manual

U(t) = Kc*e(t) + B


Continuación.

Error = setpoint - Valor Medido

La desviación es la salida del controlador cuando la medida y el setpoint son iguales.

BANDA PROPORCIONAL

Es el porcentaje del rango total de la variable medida necesaria para hacer que la señal de salida recorra su rango completo.

Cuando la banda proporcional es amplia, se necesita un grancambio en la variable medida para mover la válvula entre sus posiciones de abierto a cerrado.Cuando la banda proporcional es estrecha un pequeño cambio en la variable medida causa que la válvula se mueva a través de su total recorrido.


Continuación.

• Si PB = 100%.

Cuando la variable medida cambia el 100%, la salida cambia

en su totalidad. Equivalente a ganancia 1.

• Si PB = 50%.

Cuando la variable medida cambia en la mitad de su rango, la

señal de salida cambia en su rango completo. Equivalente a

ganancia 2.

cK100PB


Continuación.

Señal de errorEntrada

Señal de controlSalida.

Ganancia = 1PB=100

Error

SalidaU=Kc* e


Continuación.

Error

SalidaU=Kc* e



Ganancia > 1PB < 100


Continuación.

Se usa una ganancia proporcional grande, Kc, cuando un cambio

grande en el actuador produce un cambio pequeño en el

proceso.

Corresponde a una ganancia de proceso pequeña Kp.

ProcesoControlador U

Kc> 1

Error MV

KP < 1


Continuación.



Ganancia < 1PB >100

Error

SalidaU=Kc* e Tiempo


Se usa una ganancia proporcional pequeña, Kc, cuando un

cambio en el actuador produce un cambio grande en el proceso.

Corresponde a una ganancia de proceso grande, Kp.

Continuación.

ProcesoControlador U

Kc< 1

Error MV

KP > 1

pKcK

1


TTTT

TCTC

ControladorControlador


SensorSensor

Elemento Final de ControlElemento Final de Control

VaporVapor

TTii(t)(t)T(t)T(t)

TT

La escala del transmisor de temperatura va de 100°C a 300°C y elpunto de control del controlador está en 200°C


0 25 50 75 100 4

8

12

16

20

3

6

9

12

15

PB=200%

PB=100%

PB=50%PB=25%SP

mA

Porcentaje de la variable controlada

Salida delcontrolador

Salida del Controlador3 psig 9 psig 15 psig4 mA 12 mA 20 mA

PB=100% 100°C 200°C 300°CPB=50% 150°C 200°C 250°CPB=25% 175°C 200°C 225°CPB=200% 200°C


ACCION INVERSA Y ACCION DIRECTA

40% LICLT

AO

h(t)

m(t)= KC( SP - PV) + B Acción Inversam(t)= KC( PV- SP) + B Acción Directa


La acción del controlador requiere tener en cuenta:

1. Los requerimientos de control del proceso.

2. La acción de la válvula de control u otroelemento final de control.


PRACTICAS DE CONTROL CON LOS TRANSMISORESINTELIGENTES SMAR

• Determinar las características dinámicas del control proporcional.

• Con los parámetros del proceso obtenidos en las practicas de

simulación, determinar la ganancia del controlador.

• Determinar la respuesta del sistema de control ante cambios en

el setpoint y la ganancia del controlador.

• Utilizar el transmisor inteligente smar como equipo de control.

Objetivos


Procedimiento.

1. Realice las siguientes conexiones eléctricas entre los componentes del sistema de control.

-+

FTC

I/P

24 V

Registrador +

-

+-


Continuación.

2. Configure el transmisor teniendo en cuenta la variable a controlar.

Ejemplo.

2.1 Configure el transmisor para medir flujo.

2.2 Configure el display. Utilice unidades porcentuales.

2.3 Configure el bloque automático - manual.

2.4 Configure el bloque setpoint.

2.5 Configure el bloque PID. Establezca Td= 0 y Ti = Vmax.

Para tener solo control proporcional.


Continuación.

3. Desarrolle la practica variando la ganancia del controlador

y el stpoint. En cada caso determine las características

dinámicas del sistema de control.

4. Elabore un informe detallado de los resultados obtenidos

con sus respectivos diagramas.


PRACTICA CON EL CONTROLADOR MOORE






• Utilizar el controlador Moore como equipo de control.

Objetivos.


Procedimiento.


-+

FT

AI

24 V

Registrador +

-

+-

Controlador

AO

I/P

Registrador


Continuación.

2. Cargar al controlador la estrategia diseñada de fabrica número uno. Single Loop PID Controller.

2.1 Utilizando las teclas del panel frontal del controlador realice los siguientes pasos de configuración.

2.2 Cargar la estrategia uno.• Pulse la tecla ENTER / CONF • Con el potenciometro seleccione parámetro F.• Pulsar STEP / DOWN para buscar FCO.• Con el potenciómetro seleccionar 1.• Pulsar STORE.• Pulsar EXIT


Continuación.

3. Ajustar los parámetros del controlador.• Pulsar TUNE

• Seleccionar SPG1 , KC , Con el potenciometro ajustar el valor

deseado.• Pulsar STORE.• Cuando sea necesario, realizar los pasos anteriores con los

dos parámetros restantes. STI1, STD1.• Ajustar STI1 al max y STD1= 0 para control proporcional.• El setpoint se ajusta desde el panel frontal, colocando el

controlador en automático.


A /M

PID

AI

AO

SET

S

P AL

LO ALARM

HI ALARM


4. Desarrolle la practica variando la ganancia del controlador

y el stpoint. En cada caso determine las características

dinámicas del sistema de control.

5. Elabore un informe detallado de los resultados obtenidos

con sus respectivos diagramas.


PRACTICA CON EL CONTROLADOR SMAR






• Utilizar el controlador Smar como equipo de control.

Objetivos.


Procedimiento.


AO

I/P

Registrador

-+ FT

AI

24 V Registrador

+

-

+-

Controlador Smar


Continuación.

2. Conecte el PC con el controlador Smar mediante el cable

RS232.

Cargue el programa de configuración CONF600.

Determine los bloques de funciones a utilizar en la estrategia

de control.


3. Para diseñar la estrategia se accede por el icono de programación.


4. Se da nombre a la estrategia y al lazo.


5. Se diseña la estrategia.


6. Se salva la estrategia.


CONTROL INTEGRAL

El modo de control integral permite al controlador ajustar laseñal de salida basado en la duración del error

Error

+- Ganancia integral

Setpoint

IKU

Salida a laVálvula.

Valor Medido

edtI

KU


Continuación

A

B

C

Señal de Error

Tiempo 1

Tiempo 2

Tiempo 3

Tiempo1 2 3

Area.

A

B

C

Integración de la señal de error

Mientras exista error, la acción integral tratará de removerlo.


Acción proporcional Vs Acción Integral

e=(SP - PV)

U=Kc* e

Kc > 1Kc = 1Kc < 1

e=(SP - PV)

KI > 1KI = 1KI < 1

edtI

KU

•El controlador proporcional solo, lleva a un offset ante cambios de carga.

•El control integral es bastante lento para corregir los cambios de error.


CONTROL PROPORCIONAL MAS INTEGRAL PI

e=(SP - PV)

Proporcional

Integral

Formas básicas del controlador PI.

• Paralela.• Estándar, o no Interactiva, o ISA.• Clásica.


FORMA PARALELA.

edtI

KeC

KU

Setpoint

Error

+-

Integral

IK

U

Salida a laVálvula.KC

ProporcionalValor Medido

+

+

e


FORMA ESTANDAR DEL CONTROLADOR PI.

La ganancia proporcional afecta a la componente proporcional y a la componente integral.

La ganancia integral se determina de dos maneras.

• Ganancia Integral.• Tiempo integral.

• TI tiene unidades de tiempo por repetición.• KI tiene unidades de repeticiones por tiempo.

IT1

IK

Un tiempo integral de 4 minutos tiene el mismo efecto que unaganancia de 0.25 repeticiones por minuto.


Continuación.

Setpoint

Error

+-

Integral

I

T1

U


KC

Proporcional

Valor Medido

+

+e

edtI

T1e

CKU


Continuación.

Señal de salida U.

Proporcional originalTiempo por repetición.

Proporcional repetida.


ACCION DERIVATIVA

• Procesos con constantes de tiempo grandes.• Procesos con tiempos muertos.• Procesos que experimentan cambios súbitos de carga.

ESTE MODO AÑADE A LA SALIDA DEL CONTROLADORUN VALOR QUE ES PROPORCIONAL A LA RAZON DECAMBIO ( DERIVADA) O VELOCIDAD DEL ERROR.

Este modo predice o anticipa el efecto de cambios de carga sobreel valor medido basado en la derivada o razón de cambio deel proceso.

dtde


Ejemplo.

Si la acción derivativa de un controlador calcula una razón de cambio de la señal de error,

sec%3

dtde

Y el controlador tiene un tiempo derivativo de 2 segundosel modo derivativo predecirá que el error futuro será del6%.


Error = Setpoint - Valor medido

Acción sobre la válvula.


FILTRO DERIVADA

Error antes del filtro

Señal de error después del filtro

Señal de salida como resultado de la derivada


Setpoint

Error

+-

Integral

I

T1

U


KC

Proporcional

Valor Medido

+

+e

Filtro dtd

DT


Setpoint

Error

+-

Integral

I

T1

U


KC

ProporcionalValor Medido

+

+e

Filtro dtd

DT


RESUMEN

Acción decontrol

Acción en Objetivo

On - Off Presencia deerror

Proporcional Cambio en elerror

Hacer error constante

Integral Duración delerror

Hacer error cero

Derivativo Razón decambio del

error

Reducir la velocidaddel cambio en el error.


FORMAS DEL PID

ESTANDAR O NO INTERACTIVA

SDTsiTCKCG

iaransferencFuncióndeT

dtde

DTdtteiT

teCKOutput

11

)(1)(

Setpoint

Error

+-

Integral

sI

T1

U


KC

Proporcional

Valor Medido

+

+e

sDT

1


Setpoint

Error

+-

Integral

sI

T1

U


KC

Valor Medido

+

+e

sDT

sDKsiK

CKCG


dt

deDKdtteiKteCKOutput

)()(

PARALELO


siT

sDTsiTC

K

CG


dt

deDTdtte

iTteCKOutput

)1)(1(

]1[])(1

)([

1

1

sI

T1sDT KC

Salida

Error

INTERACTIVO


REGLAS DE SINTONIA Y PROCEDIMIENTOS

EL METODO DE ZIEGLER- NICHOLS EN BUCLA CERRADA

El método consiste de los siguientes pasos:

1. Establecer el tiempo integral tan grande como sea posible

Con esto se elimina la acción integral.

Establecer el tiempo derivativo tan pequeño como sea

posible, esto elimina la acción derivativa.

2. Incrementar la ganancia en pasos hasta que el lazo oscile.

3. Observe el periodo de oscilación, Pn , Llamarlo el periodo

natural. Tener en cuenta la ganancia en la cual alcanza la

oscilación, Kcu , Llamarla última ganancia.


Continuación.

4. Establezca los parámetros del controlador así:

8nP

dT

n1.2P iT

vo.Conservati 4cuK

cK

Agresivo. 2cuK

cK

• Kc Ganancia del controlador

• Kcu Ganancia del controlador que produjo la oscilación

sostenida.

• Ti Tiempo integral en minutos.

• Td Tiempo derivativo en minutos.


TT

TC

w

q T

Condensado

pa

Fv

CONTROL EN CASCADA


TT

TC

w

q T

Condensado

pa

Fv

FC

FT

El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv antes de que alcancen al cambiador significativamente

CONTROL EN CASCADA


Reguladores en cascada

W T

pa

TC Vapor Cambiador

q

FvFC

Proceso principal (TC-Cambiador) lento Proceso secundario (FC-Vapor) rápido Perturbaciones sobre el proceso secundario de efecto controlable mas instrumentación


Sintonía/Operación

WR1 G2 G1R2

y

Sintonizar primero los lazos interiores, luego los exteriores En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que uno simple Si un lazo está en manual, todos los internos a el deben estar en manual


TT

TC

w

q T

Condensado

pa

Fv

CONTROL EN CASCADA


Cascada Temp-Presión

El regulador interno (PC) de presión corrige mas perturbaciones y de forma mas eficaz

TT

TC

w

q T

Condensado

pa

Fv

PC

PT


Reguladores en cascada

W T

pa

TC Vapor Cambiador

q

psPC

El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (PC) el cual corrige el efecto de los cambios en pa sobre ps antes de que alcancen al cambiador


Control de nivel

Respuesta ante cambios en la presión en la linea de descarga: Su efecto se traduce a un cambio de h que es corregido por el regulador.

q

LC

w

u

LT

qi

h

ps


Control en cascada

El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige las perturbaciones antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito

q

FC

w

u

LT

qi

h

LC

FT

ps


Cascada Nivel-caudal

W h

ps

LC Caudal Depósito

qi

qFC

El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige las perturbaciones sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito


Temperatura- Reactor

Respuesta ante cambios en la temperatura de refrigerante Ti : Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el regulador .

Reactor

TT

T

Refrigerante

Producto

TC

u

Ti

Reactante


Cascada Temp-Temp

El regulador externo (TC1) fija la consigna del regulador interno (TC2) el cual corrige las perturbaciones en Tr antes de que alcancen significativamente a la temperatura T

Reactor

TT

T

Refrigerante

TC

Ti

TTTC

Tr Reactante


Cascada Temp-Temp

W T

Ti

TC1 Refrig ReactorTr

TC2

El regulador externo (TC1) fija la consigna del regulador interno (TC2) el cual corrige las perturbaciones en Tr antes de que alcancen significativamente a la temperatura T


REGLAS DE SELECCION

REGLA 1.Asegurarse que en el lazo secundario incluya los disturbios mas serios.

REGLA 2.Asegurarse que lazo secundario sea tan rapido como sea posible. Es deseable que el lazo interno sea al menos tres vecesmas rapido que el lazo externo.

REGLA 3. Seleccionar una variable secundaria cuyos valores esten relacionadoscon los valores de la variable primaria. Si la relacion es lineal la sintonia del controlador es mas simple.


REGLA 4.

Escoger una variable secundaria la cual permita al

controlador secundario operar con la ganacia mas alta

posible. ( banda proporcional pequeña).

CONTINUACION.


Control de proporciones

Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla

Producto A Producto B

RCFT FTFY

FAFB/FA

FB

r


Control ratio

Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla

Producto A Producto B

r

FCFT FTFF

F rF

Mejores características dinámicas


FCFT FTFFRCFT FTFY

AB

2B

A

A

B

F

1

F

r

F

F

F

r

F

Fr

A

rF

F

1F

F

rFF

A

B

B

B

AB

A B

Variable controlada

Gan. perturbación

Gan. Var. manipuladaGan. variable Gan. cte


Diagrama de bloques

aFAFB

Reg FlujoaFA

Se fija la consigna del lazo de control de flujo FB en proporción al flujo medido FA

-+ -

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