Transcript Cuando CONTROLAR

Capitulo V
Filosofía de Control
Profesor:
Rafael Guzmán Muñoz
[email protected]
2007
Índice
Contenidos y Agenda
Filosofía de Control
• ¿Por qué, Cómo y Cuando Controlar ?
• Instrumentación de Control
• Estrategias de Control
¤
¤
¤
¤
¤
Lazo Abierto
Lazo Cerrado
Control Prealimentado
Control en Cascada
Control de Razón
Tipos de Control
•
•
•
•
Definiciones
Control ON / OFF
Control Proporcional
Otros tipos de Controladores
2007
FILOSOFÍA DE CONTROL
 El hombre desea controlar los procesos productivos que ocurren
en las plantas.
 Se habla del control de procesos industriales.
 Para controlar la planta es necesario instrumentarla, agregando
sensores y actuadores necesarios.
 Preguntas claves a realizar:
 ¿Por qué controlar?
 ¿Cómo controlar?
 ¿Cuándo controlar?
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¿Por qué CONTROLAR ?
•
Es deseable que la variable de salida sea constante, ésta salida
puede estar variando por:
 Fluctuaciones de potencia de la carga.
 Perturbaciones.
 Inestabilidad.
•
Lograr que la variable de salida, siga a una señal de referencia a
pesar de perturbaciones o inestabilidad.
•
Las desviaciones de la salida actual en referencia con la deseada
desmejoran la calidad del producto.
•
Perdidas en materia prima.
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¿Cómo CONTROLAR ?
• Existen variadas forma de controlar.
• En todas interactúan la planta con un controlador.
• Se reconocen 2 aspectos:
- Filosofía de control.
- Instrumentación del control.
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¿Cómo CONTROLAR ?
•
Filosofía de Control:
Conjunto de decisiones basadas en conceptos que permiten
alcanzar de una forma específica objetivos previamente
definidos.
•
Instrumentación de Control:
Se adapta a la filosofía de control.
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¿Cuando CONTROLAR ?
•
Es necesario cuando las exigencias de calidad obligan a
mantener la variable de salida dentro de un margen
estrecho y cuando debe recuperar el valor en corto
tiempo después de un cambio de referencia.
•
Existen especificaciones de control para régimen
permanente de operación y otras para el régimen
transitorio.
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INSTRUMENTACIÓN DE
CONTROL
• Los sistemas de control industriales son modulares y se
conocen como instrumentos.
•La arquitectura de estos sistemas se representa mediante
planos.
•Los sistemas de control automático se basan en la
interconexión de:
Transmisor.
Controlador.
Actuador.
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INSTRUMENTACIÓN DE
CONTROL
El controlador acepta como entradas posibles a señales
del estado real del proceso tomada a través de los
transmisores.


Señales que vienen del operador.

Señales provenientes de otros instrumentos.

El controlador genera el mando al actuador.
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ESTRATEGIA DE CONTROL (EC)
Un modelo general de procesos que relacione la salida Y
con las variables de actuación X y de carga L.

En dicho modelo el problema general de control consiste
en como adecuar el valor de X de modo que Y evolucione
como se desea a pesar de la influencia de L.
.

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EC : LAZO ABIERTO
• El diagrama de bloques que representa a esta filosofía es
una cadena directa de transformaciones de señales y
variables.
• La ventaja es que los sistemas que lo llevan a cabo son
simples, fáciles de comprender y mantener.
• Desventaja es que no puede compensar efecto de
perturbaciones no consideradas.
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EC : LAZO ABIERTO
EJEMPLOS:
Lavadora automática.
Controlar nivel de estanque con un consumo diario promedio.
Edificio:
Encendido de luces.
Encendido del aire acondicionado.
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EC : LAZO CERRADO
• Es una evolución del control de lazo abierto.
• En su implementación el programador se
cambia por un controlador de lazo cerrado y se
incorpora un sensor.
• Utiliza la desviación del valor actual de la salida
con el valor deseado de la misma para corregir la
evolución del sistema.
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EC : LAZO CERRADO
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EC : LAZO CERRADO
 Al observar los diagramas de bloques , se aprecia que la
información sigue una cadena cerrada.
 El controlador se define como un automata diseñado
para mantener la señal de error e (e = r - c) en cero todo
el tiempo que sea posible.
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EC : LAZO CERRADO
EJEMPLO:
Al ingerir harinas, en la sangre queda un alto nivel de
glucosa, no puede ser utilizada sin una cuota adecuada de
insulina. El organismo libera la insulina requerida mediante
el páncreas. Si falta glucosa en la sangre, se genera la
sensación de hambre y se puede liberar glucosa
nuevamente.
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Ej: Control de Nivel en
LAZO CERRADO
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Ej: Diagrama de Bloques del
Control de Nivel
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EC : CONTROL PREALIMENTADO
•
Existen variables de control que no pueden estar por
mucho tiempo fuera de un rango, pues el efecto de una
perturbación puede ser grave.
•
Los efectos de la nueva situación demoran en reflejarse
a la salida y no son detectados inmediatamente por el
sensor para comenzar la correción.
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EC : CONTROL PREALIMENTADO
•
Existen El uso del Control Prealimentado es anteponerse
a los efectos de la perturbación , para ello se utiliza un lazo
de control para detectar y corregir el efecto de la
perturbación cuando está ocurriendo.
•
El sistema de control responde en forma inmediata ante
la ocurrencia de una perturbación, generando la respuesta
necesaria para que éste mantenga estable su salida.
•
Si existe otra perturbación no sensada, entonces no
existe compensación a sus efectos.
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EC : CONTROL PREALIMENTADO
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Ejemplo de CONTROL
PREALIMENTADO
Cuando el organismo detecta un posible peligro,
anteponiéndose al posible efecto , ordena secretar
adrenalina que eleva el tono muscular; aumenta la
concentración y la presión sanguínea. Sano “STRESS”
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Lazo de Control Prealimentado
y su Driagrama de Bloques
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EC : CONTROL EN CASCADA
•
Se utiliza normalmente para los casos en que la variable de
actuación es afectada por algunos problemas:
o
o
Fluctuaciones notables en la red de suministro.
No linealidades del actuador.
•
Estos problemas se traducen en que la variable de actuación no
sigue a la señal de mando del controlador en forma apropiada.
•
La solución es la siguiente: se emplea un lazo de control
realimentado para mejorar el desempeño del actuador y la red de
suministro a la cual está conectado. La referencia para este lazo es la
señal manipulada del controlador principal.
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EC : CONTROL EN CASCADA
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EC : CONTROL EN CASCADA
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EC : CONTROL DE RAZON
•
Se utiliza en los casos en que se requiera que dos o más
reactivos, se tengan que mezclar en un cierta proporción
instante a instante.
• Se puede obtener de varias maneras:
Instrumento: se diseñan instrumentos para aplicaciones
especificas como el control de combustión.
Software: están incorporados en computadores industriales.
Control de razón en Lazo Abierto
Control de razón en Lazo Cerrado
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CONTROL DE RAZON EN LAZO
ABIERTO
2007
CONTROL DE RAZON EN LAZO
CERRADO
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Índice
Contenidos y Agenda
Filosofía de Control
• ¿Por qué, Cómo y Cuando Controlar ?
• Instrumentación de Control
• Estrategias de Control
¤
¤
¤
¤
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Lazo Abierto
Lazo Cerrado
Control Prealimentado
Control en Cascada
Control de Razón
Tipos de Control
•
•
•
•
Definiciones
Control ON / OFF
Control Proporcional
Otros tipos de Controladores
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TIPOS DE CONTROL:
DEFINICIONES
Variable del Proceso (PV): la variable que se mide es
la que se desea controlar y se conoce como la variable del
proceso.

Set Point (SP): es el valor deseado de la variable del
proceso.

Error (E): es la diferencia entre la variable del proceso
y el set point.

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CONTROL ON/OFF
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CONTROL ON/OFF
• Para el caso de un horno eléctrico, la temperatura
aumenta al activar las resistencias calentadoras mediante
un contactor, controlado por un relé dentro del controlador.
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CONTROL ON/OFF
• Debido a las fluctuaciones, se hace necesario un control
proporcional.
• Se puede usar un horno a petróleo o a gas y que se
controle la potencia mediante la llave de paso.
• Se utiliza la modulación por ancho de pulso.
Ejemplo: si la planta posee tiempo de respuesta de
1 (min), se puede aplicar calentamientos de pulsos
periódicos de 4 (s)
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CONTROL PROPORCIONAL
•
Entrega una potencia proporcional (Kp) al error.
•
Se fijan los siguientes parámetros:
Temperatura deseada SP (200ºC).
Banda proporcional Pb (10%).
Tiempo de ciclo (4 seg), sólo si se utiliza contactor.
•
La banda proporcional se programa en el controlador
como un porcentaje del SP.
•
La potencia de salida varía proporcionalmente al error,
disminuyendo cuanto más se acerca la temperatura al SP.
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CONTROL PROPORCIONAL

El cálculo realizado es el siguiente:
OUT = [100% * E / banda]
banda = Pb * SP / 100
E = (SP – PV)
OUT = [Kp * E]
Kp = 100% / (Pb * SP / 100%)
Kp : Ganancia Proporcional.

Para los valores del ejemplo tenemos:
banda = Pb * SP / 100 = 10 * 200 / 100 = 20ºC
La banda en la cual variará proporcionalmente o gradualmente la
potencia será de 180ºC a 200ºC.

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CONTROL PROPORCIONAL
Potencia de salida suministrada por el controlador a
distintas temperaturas.
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CONTROL PROPORCIONAL
¿Se puede construir un control On/Off con uno proporcional?
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CONTROL PROPORCIONAL
Por lo tanto se debe tener presente que mientras menor sea la
banda proporcional, el control proporcional se comportará más
parecido a un control on/off.

Se presenta el problema que la temperatura jamás se estabilizará
en el valor de SP. Por lo que el error será estacionario y se ubicará
dentro de la banda proporcional.

Debido a las pérdidas del calor con el medio ambiente, es necesario
tener encendido los calefactores para compensar la pérdida.

 Si se requiere de un 25% de potencia para mantener la temperatura
cercana al SP, vamos a la Tabla 1.
 Nos indica que esto ocurre a los 195ºC, entonces el error
estacionario es de 5ºC.
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CONTROL PROPORCIONAL

¿Se puede reducir el error estacionario?.
Al reducir mucho la banda proporcional el sistema se volverá
inestable (similar al on/off).

Si los hornos poseen mucha inercia térmica se pueden presentar
oscilaciones de la temperatura, las cuales es eliminan aumentando la
banda proporcional y aumentando el error estacionario.

Al aumentar la banda proporcional, el control pierde efectividad para
responder rápidamente a perturbaciones externas. Para mejorar esta
respuesta se utiliza …

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CONTROL PROPORCIONAL
DERIVATIVO
•
Es un control proporcional al que se le agrega la capacidad de
considerar la velocidad o cambio de la temperatura en el tiempo (D).
•
Si la temperatura está por debajo del SP, pero subiendo muy rápido
y se va a pasar del SP, entonces el control se adelanta y disminuye la
potencia de los calefactores.
•
El cálculo realizado por el control es:
OUT = [100% * (E – D * Vel) / banda]
banda = Pb * SP / 100
Donde “Vel” es la velocidad de temperatura medida por el
controlador en ºC/seg.
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CONTROL PROPORCIONAL
DERIVATIVO
Para los valores del ejemplo tenemos:
» Fijamos D = 5 (seg), tenemos SP = 200ºC y Pb = 10%.
» Si la temperatura es de 185ºC y la velocidad sube a 2(ºC/Seg.)
Para un control proporcional:
OUT = 100% * 15ºC / 20ºC = 75%
Para un control proporcional derivativo:
OUT = 100% * (15ºC – 5seg * 2ºC/seg) / 20ºC = 25%
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COMPARACIÓN DEL CONTROL
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CONTROL PROPORCIONAL
INTEGRATIVO
•
Otra forma de eliminar el error estacionario, es necesario
aumentar mediante un ajuste manual un 25% la salida del
control de modo que se estacione en 200ºC.
•
El problema es cuando las condiciones cambian y las
pérdidas del horno disminuyen al 20%.
•
La temperatura subirá de los 200ºC creando un error
para arriba del SP.
•
Al control proporcional se le suma la acción integral, que
la corrige tomando en cuenta la magnitud del error y el
tiempo que este ha permanecido.
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CONTROL PROPORCIONAL
INTEGRATIVO
•
La salida se corrige en una cantidad equivalente a la
integral del error multiplicada por I.
• Es como un saco al cual se le va metiendo en cada
segundo una cantidad equivalente al error medido en ese
segundo.
• El control proporcional integral entrega una salida de:
OUT = [100% * (E + I * saco) / banda]
banda = (Pb * SP / 100)
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CONTROL PROPORCIONAL
INTEGRATIVO
Al colocar una acción
integral de I = 0,04 (s)
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CONTROL PROPORCIONAL
INTEGRATIVO
Por muy pequeño que sea el valor de I, siempre corregirá el
error estacionario, pero tardará más tiempo en hacerlo.

Si el valor de I es excesivo, se alcanzará muy rápido el SP,
pero debido a la inercia del sistema lo más fácil es que pase de
largo.

En general los valores de I son pequeños, y varía entre 0 y
0,08 1/seg. En muchos controles la cantidad I se programa
multiplicada por 10.000.


Para I = 0,01/seg, se programa I = 0,01 * 10.000 = 100
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CONTROL PID
•
Para la elección de los valores, existe solo un conjunto
de valores Pb, D, I que darán el rendimiento óptimo.
•
Encontrarlos requiere: conocimiento teóricos, habilidad
obtenida mediante la experiencia.
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CONTROL PID
• Comportamiento Inestable.
• Comportamiento Estable.
 Sistema Sobreamortiguado: velocidad de respuesta lenta,
luego de una perturbación. Sistema muy estable. Ocurre
cuando Pb es muy grande o D muy grande.
 Sistema Subamortiguado: velocidad de respuesta
adecuada, ocurren oscilaciones antes de llegar al SP. Ocurre
cuando Pb es pequeña, la constante D chica y la constante I
grande.
 Amortiguamiento Critico: el sistema es bastante estable y la
velocidad de respuesta es la mejor que se puede lograr.
Ocurre para los valores óptimos de Pb, D, I.
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CONTROL PID
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OTROS TIPOS DE CONTROL
•
Control basado en PLC.
•
Control y Supervisión por medio de un SCADA.
•
Control basado en DCS.
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Consultas ????
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