Transcript 5 - Docentes - Universidad Nacional de Colombia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE PALMIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN
SINTONIZACION INDUSTRIAL
2010
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Elaborar una herramienta certificada en el Sistema de Canal
Abierto para la Sintonía de Controladores Industriales.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Desarrollar un conocimiento adecuado de las técnicas de
Sintonía de controladores.
• Reconocer la importancia de la Sintonía de Controladores
para el Ingeniero Agroindustrial y el Medio Productivo.
• Evaluar diferentes métodos de Sintonización con el fin de
escoger los de mejor aplicación práctica.
• Certificar con varias pruebas y escenarios los métodos de
sintonización seleccionados.
• Implementar en el Canal Hidraúlico Abierto un sistema de
validación práctico en la sintonía de controladores, que sirva
para la elaboración de proyectos y prácticas de laboratorios.
¿QUÉ ES LA SINTONIZACIÓN DE CONTROLADORES PID?

1
MV (t )  K c  E (t ) 
TI


d PV 

E (t ' )dt'Td
dt 
0



PARAMETROS AJUSTABLES
El 75% mas variabilidad en modo automático:
30% por la pobre sintonización
30% es debido a la no linealización
15% a un ineficiente diseño del lazo de control
(ExperTune)
Entre el 90 y 95% de todos los controladores industriales son
sintonizados por técnicos de instrumentos o ingenieros de control,
basados en sus experiencias previas o por software. (ECI)
METODOLOGÍA
FASE 1: REVISIÓN, SÍNTESIS Y
SELECCIÓN DE MÉTODOS
FASE 2: VALIDACIÓN Y PRUEBAS DE
CAMPO
FASE 3: EDICIÓN DEL MANUAL PARA
SINTONIZACIÓN
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
• SINTESIS DE MÉTODOS
• SELECCIÓN DE LOS MÉTODOS
• PROGRAMACIÓN DE LOS SOFTWARE
 AC31GRAF
LookoutDirect Versión 4
• RESPUESTA AL PROCEDIMIENTO DE
IDENTIFICACIÓN EXPERIMENTAL
Análisis de la Respuesta al Tipo de Escalón
Análisis de la Respuesta a los Diversos
Escenarios
Modelización y Características del Proceso
• EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA DE
SINTONIZACIÓN DEL CONTROLADOR +
PROCESO
 Sintonización del Controlador PID para la
Variable Nivel
• CIRCUITO DE CONTROL DE FLUJO
CRITERIOS DE SELECCION
• Robustez
25%
• Actualización del método
20%
• Criterio de estabilidad
20%
• Rapidez de respuesta
15%
• Grado de generalidad
10%
• Procedimiento matemático
10%
ESQUEMA DE LAS PRUEBAS PARA LA IDENTIFICACIÓN TIPO EXPERIMENTAL
VARIABLE DEL PROCESO
(Flujo, Nivel)
ESCENARIOS
Talud  ; Inclinación 
Escenario 1
=0 ; =-5
Escenario 2
=0 ; =0
Escenario 3
=0 ; =5
Escenario 4
=25 ; =-5
ESCALONES
I= -25 Y 25%
72 PRUEBAS
(Curvas De Reacción)
Escenario 5
=25 ; =0
Escenario 6
=25 ;=5
Identificación tipo experimental “Curva de Reacción”
DYNAMIC SIMULATION
Controlled Variable
Manipulated Variable
Manipulated Variable Controlled Variable
1.5
Tiempo Muerto
()
1
Constante de Tiempo (T)
DYNAMIC SIMULATION
Variable Controlada
0.5
1.5
T1
0
1
-0.5
0.5
0
T3
T2
5
10
15
20
25
63.2% O
Time
5
10
15
20
15
20
O
30
35
40
45
50
25
Time
30
35
40
45
50
25
Time
30
35
40
45
50
0
1
Variable Manipulada
-0.5
0.80
0.6
1
0.4
0.8
0.2
0.6
0
0
0.4
0.2
I=25%
5
10
Evaluación de la Sintonización
• Perturbaciones de Carga y Set-point
• Análisis Respuesta Transitoria
 Tiempo de Estabilidad (R)
 Sobreimpulso máximo ()
 Razón de Amortiguamiento ()
• Análisis Respuesta Estacionaria
 SSE = (VP-SP)2
MÉTODO
OBJ. ESTABILIDAD
MODO CONTROLADOR
1) Ziegler-Nichols
(Lazo abierto)
¼ de 
P, PI, PID
2) Ziegler-Nichols
(Lazo cerrado)
¼ de 
P, PI, PID
3) Cohen-Coon
¼ de ; ISE
P, PI, PID
4) Lambda
Robustez, min.overshoot,
min.IAE
PI
5) Criterio Integral
Error Especifico
P, PI, PID
6) Chien-HronesReswick
Overshoot 0 ó 20%;
Rápida respuesta
P, PI, PID
7) Control Robusto
Robustez, IAE,
Rápida respuesta
PID
8) IMC
Robustez. Rápida respuesta,
IAE
PI, PID
CALIFIACIÓN DE LOS MÉTODOS
CRITERIOS
GRADO DE
IMPORTANCIA
(%)
1
2
3
4
5
6
7
8
Robustez
25
4
4
5
9
7
4
10
10
Actualización del
método
20
4
4
5
9
6
6
6
7
Criterio de estabilidad
20
7
7
7
9
8
7
9
9
Rapidez de repuesta
15
5
5
5
8
5
9
8
9
Grado de generalidad
10
7
8
7
8
9
7
7
8
Procedimiento/modelami
ento matemático
10
5
7
5
9
4
7
6
8
Puntuación
100
5.15
5.45
5.6
8.75
6.6
6.95
8.0
8.65
Variables físicas, análogas y binarias utilizadas en la programación del PLC
NOMBRE
Set-point (flujo)
Entada - Flujo
Filtro (flujo)
Filtro-Divisor (flujo)
Proporcional KP (flujo)
Integral (flujo)
Derivativa (flujo)
Reset - Salida
MonitorX (Entrada flujo)
Set-point (Nivel)
Entada - Nivel
Filtro (Nivel)
Filtro-Divisor (Nivel)
Proporcional KP (Nivel)
Integral (Nivel)
Derivativa (Nivel)
Monitor1(Entrada Nivel)
Variables
Cambio1
Open-Loop
Cambio
Manual
VARIABLE AC31 GRAF
%MW000.02
%IW63.01
%KW001.12
%KW001.14
%MW000.03
%MW000.05
%MW000.04
%M001.00
%OW63.07
% MW000.00
%IW63.04
%KW001.12
%KW001.13
%KW001.00
%KW001.01
%KW001.08
%OW63.04
KW002.00
%KW002.01
%KW001.15
%MW000.09
%MW000.06
Monitor 3 (Señal de Control Automático)
%OW63.06
Válvula
%OW63.00
PROGRAMACIÓN DE CONTROLADORES PID
Diagrama de bloques con “Operación de Negación”
Estado “1”, Habilita la salida de
la variable flujo
Estado “0”, Habilita la salida de
la variable nivel
Conexión de las Salidas de Control
Selector Manual/Automático
Conversión de Variables Análogas a
Binarias
Para el Reset_Salida
Para el selector
Manual/Automático
Protocolo de Comunicación Modbus
VAR XX.YY = [DIRECC 0 + ( 16 * XX ) + YY] ± 1
OW63.07 = [4096 + (16 * 63 ) + 7] +1 = 5112
Variables
Dirección Modbus
Set-point (Nivel)
Modbus 1.48193
Variable del proceso (Nivel)
Modbus 1.45109
Proporcional (Nivel)
Modbus 1.412305
Integral (Nivel)
Modbus 1.412306
Derivativa (Nivel)
Modbus 1.412311
Set-point (Flujo)
Modbus 1.48195
Variable del proceso (Flujo)
Modbus 1.45112
Proporcional (Flujo)
Modbus 1.48196
Integral (Flujo)
Modbus 1.48198
Derivativa (Flujo)
Modbus 1.48197
Salida de control
Modbus 1.45105
Control de Variable
Modbus 1.412321
Modo Manual/Automatico
Modbus 1.412320
Variable Manipulada
Modbus 1.48199
Paneles de Control
Controlador PID para Nivel
Controlador PID para Flujo
Gráficos de Tendencia
Promedios y Desviación Estándar del Tiempo Muerto () para los diferentes escenarios, estimado a partir de
perturbaciones tipo escalón de 55-80 y 80-55%
Escalón
Escenario
VARIABLE FLUJO
55 – 80
80 – 55
VARIABLE NIVEL
Desv. Est
55 – 80
80 – 55
Desv. Est
1
0.4
0.47
0.082
5.53
5.5
0.366
2
0.47
0.5
0.075
5.8
5.7
0.513
3
0.43
0.43
0.103
6.17
5.97
0.308
4
0.4
0.5
0.084
6.4
6.17
0.326
5
0.47
0.47
0.137
6.5
6.33
0.147
6
0.4
0.4
0.126
6.23
6.53
0.232
Promedios y Desviación Estándar de la constante de tiempo (T) para los diferentes escenarios, estimada con
perturbaciones tipo escalón de 55-80 y 80-55%
Escalón
Escenario
VARIABLE FLUJO
55 – 80 %
80 – 55 %
VARIABLE NIVEL
Desv. Est
55 – 80 %
80 – 55 %
Desv. Est
1
0.47
0.47
0.052
82.73
83.07
3.013
2
0.57
0.63
0.126
81.5
81.97
2.908
3
0.57
0.5
0.121
79.57
79.57
1.717
4
0.5
0.6
0.105
108.6
105.47
3.165
5
0.5
0.63
0.163
98.9
100.87
3.115
6
0.6
0.5
0.152
92.3
93.83
2.189
Promedios y Desviación Estándar de la ganancia (K) para los diferentes escenarios, estimada con perturbaciones
tipo escalón de 55-80 y 80-55%
Escalón
Escenario
VARIABLE FLUJO
55 – 80
80 – 55
VARIABLE NIVEL
Desv. Est
55 – 80
80 – 55
Desv. Est
1
1.8
1.76
0.157
1.33
1.36
0.101
2
1.76
1.71
0.166
1.33
1.37
0.119
3
1.81
1.76
0.166
1.34
1.36
0.105
4
1.7
1.73
0.116
1.07
1.07
0.018
5
1.76
1.73
0.126
1.12
1.13
0.024
6
1.85
1.85
0.008
1.08
1.11
0.055
Valores Medios de los Parámetros K, T,  de la variable Flujo para los diferentes escenarios estudiados con el escalón del 25%
Escenario
Parámetros
Ganancia
(K)
Constante de Tiempo (T)
Tiempo Muerto
()
1
1.80
0.47
0.40
2
1.76
0.57
0.47
3
1.81
0.57
0.43
4
1.70
0.50
0.40
5
1.76
0.50
0.47
6
1.85
0.60
0.40
Valores Medios de los Parámetros K, T,  de la variable nivel para los diferentes escenarios estudiados con el escalón del 25%
Escenario
Ganancia
Constante de Tiempo (T)
Tiempo Muerto
()
1
1.33
82.73
5.53
2
1.33
81.50
5.80
3
1.34
79.57
6.17
4
1.07
108.6
6.40
5
1.12
98.90
6.50
6
1.08
92.30
6.23
Parámetros
(K)
Diagrama de bloques para el circuito de control de flujo (sistema de control por retroalimentación)
Carga
Set-point
+
Variable Controlada
(Flujo)
Error
-
CONTROLADOR
(PI)
PROCESO
(Control de Flujo)
+
Variable del proceso
(Flujo)
+
Variable del proceso
(Flujo)
Respuesta de la variable flujo a un escalón de 25%
ecuación de transferencia
Ganancia (1,7 – 1,85)
Tiempo Muerto (0,4 – 0,47)
CV (s) 1,8e 0, 44 s
Gp(s) 

MV ( s) 0,54s  1
Constante de Tiempo (0,47 – 0,6)
Diagrama de bloques para el circuito de control de nivel (sistema de control por retroalimentación)
Carga
Set-point
+
Variable Controlada
(Flujo)
Error
-
CONTROLADOR
(PID)
PROCESO
(Control de Flujo)
+
Variable del proceso
(Nivel)
+
Variable del proceso
(Nivel)
Respuesta de la variable nivel a un escalón de 25%
ecuación de transferencia
Ganancia (1,07 – 1,34)
Tiempo Muerto (5,53 – 6,5)
CV ( s ) 1,21e 6 s
Gp( s ) 

MV ( s ) 95,1s  1
Constante de Tiempo (81,5 – 108,6)
RESPUESTA TRANSITORIA
Tiempo de estabilidad (min.), Sobre impulso máximo (cm) y Razón de amortiguamiento (%) para un cambio
en el set-point (-6cm)
M. Control Robusto
C=0
M. IMC
C =0.5
PID
Tcl= 2
M. Lambda
Tcl= 2(+T)
PI
PID
PI
PID
=4
=0,5
PI
R
7’37”
7’26”
7’26”
6’48”
7’29”
8’7”
11’18’’
7’46’’

3,5
2,7
3,8
4,2
3,1
2,8
2,9
3,5

37
22
53
43
19
21
24
37
Respuesta del controlador + proceso a un cambio de set_point (-6cm)
Método Control Robusto
C=0,5
Método IMC
Tcl=2
Método Lambda
=0,5
Tiempo de estabilidad (min.), Sobre impulso máximo (cm) y Razón de amortiguamiento (%)
para perturbación en la descarga
M. Control Robusto (PID)
M. IMC (PID)
M. Lambda (PI)
C = 0.5
Tcl= 2
=0,5
R
8’34”
7’19”
8’33”

2,2
1,1
1,8

18
45
39
Respuesta del controlador + proceso a una perturbación en la descarga
Método Control Robusto
C= 0.5
Método IMC
Tcl= 2
Método Lambda
=0.5
RESPUESTA ESTACIONARIA
promedio del nivel, Desviación estándar e Indice del error de las diferentes situaciones estudiadas para
cada método sintonización
Método
DES. EST
PROMEDIO
SSE
SP
Perturbación
SP
Perturbación
SP
Perturbación
IMC
16,5
16,5
0,23
0,13
0,09
0,09
Lambda
16,5
16,5
0,06
0,11
0,09
0,09
Robustéz
16,6
16,6
0,21
0,09
0,81
1,44
CIRCUITO DE CONTROL DE FLUJO EN MODO AUTOMATICO
CORRECTIVOS REALIZADOS EN LA MEDICIÓN DE NIVEL
CONCLUSIONES
• Los métodos evaluados incluyen parámetros de ajuste
fino…
• La mayoría de los métodos de sintonización de
controladores están diseñados para un esquema en lazo
abierto…
• La variable controlada puede efectuar la aproximación
de la variable del proceso al punto de consigna…
• Una de las principales condiciones para establecer un
control sobre algún proceso es realizar una adecuada
instalación de la instrumentación y optimizar las señales
de entrada y salida del sistema.
RECOMENDACIONES
1. Se debe adquirir un regulador de presión diferencia de
mayor precisión para el transmisor de nivel
2. Se debe cambiar la manguera de lona utilizada para la
conexión de la salida de la bomba a la tubería, por una de
mayor resistencia ya que la actual presenta fugas y no
resiste la presión que se ejerce cuando la válvula opera
por debajo de 50% de apertura.
3. Se debe proveer de una red regulada para evitar los
ruidos eléctricos en la línea que genera la bomba y
compresor.
4. Para el buen funcionamiento del transmisor de presión
diferencial marca Dwyer modelo 616W/160 se debe
proveer de alguna de las siguientes soluciones en el
siguiente orden: adaptar a la tubería un linealizador de flujo
o enderezadores de venas, o en su efecto adquirir un
elemento primario de menor sensibilidad tal como uno
inductivo como platina de orificio o de medición externa de
tensión inducida como un medidor magnético de caudal.
5. Dar una mayor utilización de estos equipos a nivel
académico….
Agradecimientos
Al Ing. JAIRO VARGAS de la compañía AUTOMATIZACION
L.T.D.A
Al Ing. CARLOS MARIO ,,,, de la compañía AUTOMATIZACION
L.T.D.A
Al Ing. EISENOVER CABAL Coordinador del laboratorio de
Automatica-Univalle
Al Tecnologo Carlos Heber ,,,,, laboratorista de hidraulica- UNALpalmira.
AC