Guías del Laboratorio de Control Automático

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  • Universidad de Costa Rica

    Facultad de Ingeniera

    Escuela de Ingeniera Elctrica

    Departamento de Automtica

    Guas del Laboratorio de Control

    Automtico

    Elaborado por

    Kevin Araya Bonilla

    Carlos Reyes Cubero Alpzar

    Julio del 2004

  • Gua del Laboratorio de Control Automtico

    EHV-PLC 2004

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    INDICE GENERAL Introduccin .................................................................................................................................. 5

    1.0 Equipo didctico en control de procesos de Temperatura y Caudal Lab-Volt (modelo:

    3522) ............................................................................................................................................... 6

    2.0 Equipo didctico en control de procesos de Temperatura Lab-Volt (modelo: 3521)....... 8

    3.0 Programa de simulacin LVPROSIM de Lab-Volt........................................................... 10

    4.0 Guas de Laboratorio para el Equipo Didctico modelo 3522.......................................... 13

    Familiarizacin con el equipo, ajuste de Margen y Cero de los transmisores. ......................... 13 Familiarizacin, control de procesos de temperatura y caudal de lazo abierto y lazo cerrado. 19 Obtencin del modelo de primer orden ms tiempo muerto del proceso de temperatura y del proceso de caudal...................................................................................................................... 28 Control proporcional de un proceso de temperatura y de un proceso de caudal ...................... 36 Control proporcional e integral de un proceso de temperatura y caudal ................................. 44 Control proporcional ms integral ms derivativo.................................................................... 51 Curva de reaccin del proceso de temperatura en modo de enfriamiento ............................... 60 Sintonizacin del controlador con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo abierto ................ 66 Sintonizacin del controlador con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo cerrado para un proceso de caudal...................................................................................................................... 72 Sintonizacin del controlador con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo cerrado para un proceso de temperatura ............................................................................................................. 78 Sintonizacin del controlador PI y PID, para el proceso de temperatura en modo de enfriamiento .............................................................................................................................. 84 Controlador proporcional, integral y derivativo, sintonizacin con criterios de desempeo integral ...................................................................................................................................... 92

    5.0 Guas de Laboratorio para el Equipo Didctico modelo 3521.......................................... 96

    Control de procesos de lazo abierto, obtencin de la curva de reaccin .................................. 96 Control proporcional de un proceso de temperatura............................................................... 103 Control de procesos de lazo cerrado con control PI ............................................................... 109 Sintonizacin del controlador con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo cerrado para un proceso de temperatura ........................................................................................................... 121 Sintonizacin del controlador PID con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo abierto....... 129 Controlador proporcional, integral y derivativo, sintonizacin con criterios de desempeo integral .................................................................................................................................... 136

    Bibliografa ................................................................................................................................ 141

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    INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Esquema de funcionamiento.......................................................................................... 6 Figura 2.1 Equipo didctico para el control de procesos Lab-Volt 3521 ....................................... 8 Figura 3.1 Pantalla principal del programa LVPROSIM.............................................................. 10 Figura 4.1 Conexin del equipo para calibracin del transmisor de caudal ................................. 14 Figura 4.2 Conexin del equipo para calibracin del transmisor de temperatura ........................ 16 Figura 4.3 Diagrama de bloques de un sistema de control de procesos de lazo-abierto............... 19 Figura 4.4 Control de lazo abierto del proceso de caudal del equipo didctico ........................... 20 Figura 4.5 Control de lazo abierto del proceso de temperatura del equipo didctico................... 20 Figura 4.6 Diagrama de bloques de un sistema de control de procesos de lazo cerrado .............. 21 Figura 4.7 Control de lazo cerrado del proceso de caudal del equipo didctico .......................... 22 Figura 4.8. Conexin de lazo abierto para el proceso de caudal................................................... 23 Figura 4.9. Conexin lazo abierto para el proceso de Temperatura. ............................................ 25 Figura 4.10 Mtodo de la tangente de Ziegler & Nichols............................................................. 30 Figura 4.11 Mtodo de 2 puntos de Alfaro ................................................................................... 31 Figura 4.12 Caracterstica del controlador proporcional .............................................................. 37 Figura 4.13 Conexin del equipo para el control de la temperatura en modo de enfriamiento.... 38 Figura 4.15 Respuesta al escaln de un controlador integral........................................................ 45 Figura 4.16 Efecto del aumento en la ganancia integral ............................................................... 46 Figura 4.17 Diagrama del controlador PI ..................................................................................... 46 Figura 4.18 Respuesta del sistema ante un cambio escaln con controlador P, I, PI. .................. 47 Figura 4.19 Seal de salida de la seccin del modo derivativo. ................................................... 52 Figura 4.20 Diagrama simplificado de un controlador operando en el modo PID ....................... 53 Figura 4.21 Respuesta al escaln en el punto de referencia con control P, PI y PID ................... 54 Figura 4.22 Diagrama de bloques de un controlador serial (interactuante) PID .......................... 55 Figura 4.23 Mtodo de la tangente de Ziegler & Nichols............................................................. 61 Figura 4.24 Mtodo de 2 puntos de Alfaro ................................................................................... 61 Figura 4.25 Control de temperatura en modo de enfriamiento. .................................................... 62 Figura 4.26 Respuesta con decaimiento de un cuarto de la amplitud........................................... 67 Figura 4.27 Mtodo de oscilacin mantenida de Ziegler & Nichols ............................................ 72 Figura 4.28 Respuesta estable....................................................................................................... 73 Figura 4.29 Respuesta inestable.................................................................................................... 73 Figura 4.30 Determinacin del perodo de una oscilacin sostenida............................................ 73 Figura 4.31 Mtodo de oscilacin mantenida de Ziegler & Nichols ............................................ 78 Figura 4.32 Respuesta estable....................................................................................................... 79 Figura 4.33 Respuesta inestable.................................................................................................... 79 Figura 4.34 Determinacin del perodo de una oscilacin sostenida............................................ 79 Figura 4.35 Mtodo de oscilacin mantenida de Ziegler & Nichols ............................................ 84 Figura 4.36 Respuesta estable....................................................................................................... 85 Figura 4.37 Respuesta inestable.................................................................................................... 85 Figura 4.38 Determinacin del perodo de una oscilacin sostenida............................................ 85 Figura 4.39 Control de temperatura en modo de enfriamiento. .................................................... 87

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    Figura 5.1 Mtodo de la tangente de Ziegler & Nichols............................................................... 97 Figura 5.2 Mtodo de 2 puntos de Alfaro ..................................................................................... 97 Figura 5.3 Conexin del Equipo Didctico para el control con el LVPROSIM........................... 99 Figura 5.4 Caracterstica del controlador proporcional .............................................................. 104 Figura 5.5 Conexin del Equipo Didctico para el control con el LVPROSIM......................... 105 Figura 5.6 Diagrama del controlador en modo integral .............................................................. 111 Figura 5.7 Respuesta al escaln de un controlador integral........................................................ 112 Figura 5.8 Efecto del aumento en la ganancia integral ............................................................... 113 Figura 5.9 Diagrama del controlador PI ..................................................................................... 113 Figura 5.10 Respuesta del sistema ante un cambio escaln con controlador P, I, PI. ................ 114 Figura 5.11 Conexin del Equipo Didctico para el control con el LVPROSIM....................... 116 Figura 5.12 Mtodo de oscilacin mantenida de Ziegler & Nichols .......................................... 121 Figura 5.13 Respuesta estable..................................................................................................... 122 Figura 5.14 Respuesta inestable.................................................................................................. 122 Figura 5.15 Determinacin del perodo de una oscilacin sostenida.......................................... 122 Figura 5.16 Conexin del Equipo Didctico para el control con el LVPROSIM....................... 124 Figura 5.17 Respuesta estable..................................................................................................... 125 Figura 5.18 Respuesta inestable.................................................................................................. 126 Figura 5.19 Respuesta crticamente inestable (oscilatoria)......................................................... 126 Figura 5.20 Respuesta con decaimiento de un cuarto de la amplitud......................................... 130 Figura 5.21 Conexin del Equipo Didctico para el control con el LVPROSIM....................... 132 Figura 5.22 Conexin del Equipo Didctico para el control con el LVPROSIM....................... 138

    INDICE DE TABLAS

    Tabla 4.1 Tensin de la salida analgica 1 para diferentes valores de salida del controlador

    (proceso de caudal) ............................................................................................................... 18 Tabla 4.2 Resultados del control proporcional de un proceso de temperatura en modo de

    calentamiento ........................................................................................................................ 43 Tabla 4.3 Tiempo de asentamiento y error permanente con control P y PI.................................. 50 Tabla 4.4: Tiempos de estabilizacin del proceso de temperatura para diferentes configuraciones

    del controlador ...................................................................................................................... 59

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    Introduccin Se presentan a continuacin las guas del curso IE-432 Laboratorio de Control ofrecido por la Escuela de Ingeniera Elctrica de la Universidad de Costa Rica. Su objetivo es brindar al estudiante un instructivo detallado para la realizacin de experiencias de identificacin de procesos y sintonizacin de controladores utilizando los equipos y controladores del Laboratorio de Automtica de esta Escuela. Se espera que el estudiante que llega a este nivel ya domine los conceptos bsicos de los sistemas de control automtico, aprendidos en el curso IE-431 Sistemas de Control. Adems, debe dominar el manejo de los instrumentos bsicos del laboratorio. Esta gua de laboratorio ha sido desarrollada de forma tal que el estudiante sea capaz de llevar a cabo la experiencia y obtener los resultados esperados, sin que deba estudiar a fondo el funcionamiento y caractersticas de cada uno de los equipos. Todas las guas cuentan con el siguiente formato: los objetivos donde se plantean los propsitos y alcances; el equipo a utilizar; una descripcin de la experiencia con una pequea nota terica, cuando sea necesario; el procedimiento que describe paso a paso las actividades por ser realizadas; y finalmente una seccin con los grficos, resultados, conclusiones; adems de tablas que se proponen para la toma de datos en caso de que se requiera. La siguiente es la lista de las experiencias del laboratorio, distribuidas por equipo.

    Equipo didctico en control de procesos de temperatura (modelo 3522 _ Lab-Volt) PLVTC-01 Familiarizacin con el equipo, ajuste de Margen y Cero de los transmisores. PLVTC-02 Familiarizacin, control de procesos de temperatura y caudal de lazo abierto y lazo cerrado. PLVTC-03 Obtencin del modelo de primer orden ms tiempo muerto del proceso de temperatura y del proceso de caudal PLVTC-04 Control proporcional de un proceso de temperatura y de un proceso de caudal PLVTC-05 Control proporcional e integral de un proceso de temperatura y caudal PLVTC-06 Control proporcional ms integral ms derivativo PLVTC-07 Curva de reaccin del proceso de temperatura en modo de enfriamiento PLVTC-08 Sintonizacin del controlador con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo abierto PLVTC-09 Sintonizacin del controlador con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo cerrado para un proceso de caudal PLVTC-10 Sintonizacin del controlador con el mtodo de Ziegler & Nichols de lazo cerrado para un proceso de temperatura PLVTC-11 Sintonizacin del controlador PI y PID, para el proceso de temperatura en modo de enfriamiento PLVTC-12 Controlador proporcional, integral y derivativo, sintonizacin con criterios de desempeo integral Equipo didctico en control...