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Alumno: Eduardo Plata Montaño Número de control: 17171218 Materia: Instrumentación Tema: Unidad 4 Controladores.

Docente: Ing. Cesar Antonio Ortiz Franco

Índice. Trabajo de investigación……………………………………………………. 3-14 Conclusión……………..………………………………………………………..15 Bibliografía………………………………………………………………………16

4.1. Aplicaciones de sistemas de lazo abierto y lazo cerrado. Sistemas de control y regulación. Los sistemas de control realizan operaciones de control con verificación y en algunos casos, dependiendo de las características de los sistemas, regulación. En los sistemas, la señal de salida puede o no afectar al rendimiento del sistema. Por esta razón, se hace una distinción entre dos sistemas diferentes, circuito abierto y cerrado.

Sistemas de lazo abierto. Aquellas en las que la señal de salida no afecta al funcionamiento de todo el sistema. Ejemplo: En un horno microondas que no tiene un sensor de temperatura de los alimentos (el que calcula automáticamente el tiempo y el grado de cocción), el aparato emite microondas durante la cocción durante el tiempo establecido al principio del proceso de cocción, independientemente de si el alimento está completamente cocinado o no. Señal de control: Indica el operador del sistema. Unidad de control: Tiene un componente principal llamado convertidor, que es capaz de traducir o interpretar una señal de control para determinar el valor de una señal de referencia (entrada). Entrada: Una señal generada por la unidad que es interpretada por el sistema y hace que funcione. Operativa o dinámica única: Es la parte del sistema que progresa. Salida: Es el resultado del funcionamiento del sistema, puede ser información o un producto acabado. Control de ajuste: Un dispositivo para controlar el estado de carga de las baterías y para regular la intensidad de la carga.

Sistema de control de lazo cerrado.

Estos son los que realizan el proceso de repotenciación, es decir, son capaces de modificar la señal de entrada en función de la señal de salida.

Comentarios. El proceso en el que se analiza la información de salida del sistema y, por lo tanto, se modifica o no la entrada y se regula la entrada. Por ejemplo, si el diseño del puente levadizo o del semáforo no funciona como se había previsto, analizamos el error que hace que el mecanismo no funcione como debería y podemos arreglarlo. Sensores. Se trata de dispositivos que permiten determinar un valor de un determinado tamaño, es decir, registrar indicadores externos o internos, ya sea la intensidad de la luz, el sonido, la temperatura ambiente, la presencia de personas, el nivel del agua, etc. Clasificación de los sensores. Los sensores relevantes para la producción pueden clasificarse como: Sensores mecánicos: Para medir cantidades como la posición, la velocidad, la masa, la presión, la fuerza, la vibración. Sensores eléctricos: Para medir el voltaje, la corriente y las cargas eléctricas. Sensores magnéticos: Para medir el campo, el flujo y la permeabilidad magnética. Sensores térmicos: Para medir la temperatura, el flujo, la conductividad y el calor específico. Jugadores. El actuador es un dispositivo capaz de convertir la energía en activación de procesos para lograr un efecto en un proceso automatizado. Recibe una orden del controlador o del sistema de control y, en consecuencia, genera un comando para activar el actuador como elemento de control final. Por ejemplo, una válvula. Algunos de ellos lo son: Electrónicamente Hidráulica Neumáticos Electricidad

Los cilindros son los más comunes: - Cilindros neumáticos o hidráulicos: Realizan movimientos lineales. - Motores neumáticos o hidráulicos (accionamientos rotativos): Realizan movimientos rotativos utilizando energía hidráulica o neumática. - Válvulas: Controladas directamente, motorizadas, electroneumáticas. Regulan el flujo de gases y líquidos. - Resistencias de calefacción: Se usan para calentar. - Motores eléctricos: Los motores de inducción, continuos, sin escobillas y paso a paso son los más utilizados. Bombas y compresores sopladores: Esencialmente impulsados por motores de inducción eléctrica.

4.2. Modos de control aplicados en instrumentación. Los actuadores o elementos finales de control pueden hacer correcciones en varias formas: -

En caso de ser una válvula, puede abrir o cerrar instantáneamente. Puede abrir o cerrar la válvula lentamente, a una velocidad constante, mientras se mantenga la desviación. Puede abrir la válvula en mayor grado cuando la desviación es más rápida. Puede abrir la válvula un número de vueltas constante, por cada unidad de desviación.

Estas correcciones, son hechas por el controlador, en los sistemas industriales se emplean básicamente uno o una combinación de los siguientes sistemas de control: -

De dos posiciones, encendido o apagado (ON-OFF) Proporcional. Proporcional -Integral. Proporcional -Derivativo. Proporcional -Integral -Derivativo.

4.2.1. ON-OFF. Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado (on/off). En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendido y apagado. El control de dos posiciones o de encendido y apagado es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos. Supóngase que la señal de salida del controlador es u(t) y que la señal del error es e(t). En el control de dos posiciones, la señal u(t) permanece en un valor ya sea máximo o mínimo, dependiendo de si la señal de error es positiva o negativa. De este modo,

Es común que los controladores de dos posiciones sean dispositivos eléctricos, en cuyo caso se usa extensamente una válvula eléctrica operada por solenoides. Los controladores neumáticos proporcionales con ganancias muy altas funcionan como controladores de dos posiciones y, en ocasiones, se denominan controladores neumáticos de dos posiciones se muestra un sistema de control de líquido que es controlado por una acción de control de dos posiciones.

En la figura 9 se observa que el controlador es un termostato que cierra o abre un contacto eléctrico excitando el elemento final de control que es una válvula de solenoide de dos posiciones únicas, cerrada y abierta. Y, en la misma figura, puede verse un caso real de calentamientos de un horno con resistencias eléctricas con punto de consigna 500’C y zona diferencial el 1% del margen de control de 0-800’C, es decir 8’C.

El controlador podría ser también neumático, electrónico o digital con dos únicas señales de salida excitando una válvula neumática, dotada de un posicionador electroneumático o digito neumático. 4.2.2. Proporcional. El control proporcional se basa en la ganancia aplicada al sistema, se basa en el principio de que la respuesta del controlador debe ser proporcional a la magnitud del error. No corrige ni elimina perturbaciones, puede atenuar y aumentar la señal del error. Se presenta a través de parámetro Kp y define la fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error. En la figura 10 puede verse la forma en que actúa un controlador proporcional cuyo punto de consigna es 50’C y cuyo intervalo de actuación es de 0-100’C. Cuando la variable controlada está en 0’C o menos, la válvula está totalmente abierta; a 100’C o más está totalmente cerrada, y entre 0 y 100’C la posición de la válvula es proporcional al valor de la variable controlada. Por ejemplo, a 25’C está abierta un 75% y a 50’C en un 50%.

4.2.3. Proporcional -Integral. El control integral actúa cuando existe una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando dicha desviación en el tiempo y sumándola a la acción de la proporcional.

Se caracteriza por el llamado tiempo de acción integral en minutos por repetición (o su inversa en repeticiones por minuto) que es el tiempo en que, ante una señal en escalón, la válvula repite el mismo movimiento correspondiente a la acción proporcional. Como esta acción de control se emplea para obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable con respecto al punto de consigna) de la acción proporcional, sólo se utiliza cuando es preciso mantener un valor de la variable que iguale siempre al punto de consigna. En la figura puede verse la respuesta ante una entrada en escalón de un controlador proporcional integral y la obtención de la gráfica de Ti(minutos/repetición). 4.2.4. Proporcional -Derivativo. En la regulación derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad de variación de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir, el control derivativo actúa cuando existen cambios en la variable. Esta actuación es proporcional a la

pendiente de la variable, es decir, a su derivada. En la figura 9.16 puede verse el movimiento de la válvula de control ante los cambios en la variable provocados por un cambio de carga. La acción derivada se caracteriza por el llamado tiempo de acción derivado en minutos de anticipo que es el intervalo durante el cual, la variación de la señal de la señal de salida del controlador, debida a la acción proporciona, iguala a la parte de variación de la señal debida a la acción derivativa cuando se aplica una señal en rampa al instrumento.

4.2.5. Proporcional -Integral -Derivativo. La unión en un controlador de las tres acciones (PID) forma un instrumento controlador que presenta las siguientes características, comentadas tomando como ejemplo el controlador de temperatura del intercambiador de calor, donde suponemos que se presenta un cambio de carga por aumento de la demanda de agua caliente (figura 17). 1. La acción proporcional cambia la posición de la válvula proporcionalmente a la desviación de la variable con respecto al punto de consigna. La señal P (proporcional) mueve la válvula siguiendo fielmente los cambios de temperatura multiplicados por la ganancia. Un aumento de la ganancia conduce a una mayor acción proporcional y un control más rápido. 2. La acción integral mueve la válvula a una velocidad proporcional a la desviación con respecto al punto de consigna. La señal I (integral) va sumando las áreas de diferencia entre la variable y el punto de consigna, repitiendo la señal proporcional según su i (minutos/repetición). Una disminución del tiempo de acción integral proporciona una mayor acción integral y un control más rápido.

3. La acción derivada corrige la posición de la válvula proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada. La señal D (derivada) es la pendiente (tangente) de la curva descrita por la variable, con lo que anticipa la posición de la válvula en el tiempo debida a la acción proporcional según el valor de d (minutos de anticipo). Un aumento del tiempo de acción derivada incrementa la acción derivada y proporciona un control más rápido.

4.3. Criterios para la selección de un controlador. Cuando vamos a implementar un lazo de control se nos plantea una serie de preguntas: ¿Qué tipo de controlador debemos elegir para una situación dada? ¿Cómo seleccionar los valores de los parámetros del controlador? O bien, ¿con qué criterio de perfomance hacemos la selección y el ajuste de parámetros del controlador? Por ejemplo, podemos seleccionar alguno de los siguientes criterios:

-

Que el bucle cerrado sea estable. Que los efectos de las perturbaciones se minimicen. Que se obtengan respuestas rápidas y suaves frente a cambios en el set point. Que se elimine el offset. Que el sistema sea robusto, esto es, poco sensible a cambios en las condiciones de proceso o debido a errores.

En principio puede considerarse cualquier propiedad para seleccionar la respuesta del sistema, por ejemplo: -

Overshoot – Tiempo de decaimiento (“rise time”; hast alcanzar el valor deseado por primera vez). Tiempo de asentamiento (“setting time”, hasta quedar en +5% del valor deseado). Relación de decaimiento (“decay ratio”, la relación entre la altura del 2’ y el 1er. Pico) Frecuencia de oscilación.

4.4. Sintonización de controladores. La sintonización de los controladores Proporcional – Integral – Derivativo o simplemente controladores PID, consiste en la determinación del ajuste de sus parámetros (Kc, Ti, Td), para lograr un comportamiento del sistema de control aceptable y robusto de conformidad con algún criterio de desempeño establecido.

Para poder realizar la sintonización de los controladores, primero debe identificarse la dinámica del proceso, y a partir de ésta determinar los parámetros del controlador utilizando el método de sintonización seleccionado. Antes de revisar algunas de las técnicas de sintonización disponibles, se establecerán los diferentes tipos de funcionamiento que pueden presentarse en un lazo de control realimentado, en el cual hay dos entradas - el valor deseado r(t) y la perturbación z(t) y una salida - la señal realimentada y(t). Sintonizar un sistema de control realimentado significa regular parámetros en el controlador para lograr implementar un control robusto en el proceso. “Robusto” en este contexto es usualmente definido como la estabilidad de las variables de procesos a pesar de los cambios de carga, una rápida respuesta ente los cambios de setpoint, oscilaciones y un offset mínimo (error entre el setpoint y la variable de proceso) en el tiempo.

“Control Robusto” es mucho más fácil de definir que te lograrlo. El control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) es el algoritmo de control realimentado más usado en la industria, es importante que el ingeniero y/o técnico instrumentista entienda como se sintonizan estos controladores de manera efectiva y con una mínima inversión de tiempo. Diferentes tipos de procesos, que tienen diferentes comportamientos dinámicos (dependientes del tiempo), requieren diferentes niveles de acción de control proporcional, integral y derivativo para lograr una respuesta estable y robusta. Y por tanto alguien que intente o busque sintonizar un controlador PID debe entender la naturaleza dinámica del proceso que está siendo controlado. Por esta razón, en este curso exploraremos las principales características de procesos antes de hablar de las técnicas para realizar una elección práctica de los valores de los parámetros P, I y D. Características de Procesos Quizá la regla más importante para sintonizar un controlador es CONOCER el proceso antes de intentar regular la sintonía del controlador. A menos que entendamos adecuadamente la naturaleza del proceso que intentamos controlar, tendremos muy pocas esperanzas de hacerlo. En esta parte el curso dedicaremos tiempo a explicar las diferentes características de procesos y como podremos identificar cada una. Los métodos cuantitativos de sintonización PID (más delante hablaremos de esto también) intentan mapear las características del proceso y con ello se obtienen algunos buenos parámetros PID para el controlador. La meta de esta parte es que entiendas los diversos tipos de proceso observando su respuesta y haciendo un análisis cualitativo, con ello comprenderás porque los diferentes parámetros de sintonía son necesarios para tipo, en lugar de solo seguir estrictamente unos cuantos pasos para sintonizar un controlador PID. Podemos clasificar la respuesta de los procesos en tres grupos: auto-regulatorios(selfregulating), integrativos (integrating) y los inestables (runaway). Cada uno de estos tipos de proceso está definido por su respuesta ante un estímulo, impulso o escalón (cambio manual repentino sobre una señal de salida que actúa sobre el proceso, por ejemplo, la posición de una válvula de control o el estado de algún elemento final de control). Un proceso “self-

regulating” responde ante un escalón unitario o variación de apertura de una válvula de control fijando un nuevo valor de su PV, un valor estable. Un proceso “integrativo” responde variando su valor de PV constantemente (ramping) hacia arriba o hacia abajo a una tasa proporcional (pendiente) a la magnitud de cambio o escalón producido con el elemento final de control (válvula de control). Finalmente, un proceso “runaway” responde variando su PV hacia arriba o hacia abajo a una tasa que se va incrementando con el tiempo, llevándolo a un completa inestabilidad sin forma alguna de corregirlo con la acción del controlador. Los procesos self-regulating, integrativos y runaway tienen diferentes necesidades de control. Los parámetros de sintonía PID que pueden trabajar bien para controlar un proceso self-regulating (auto-regulatorio), por ejemplo, no trabajará bien para controlar un proceso integrativo o runaway (inestable), a pesar de alguna característica similar de estos procesos. Si primero identificamos la característica de un proceso, podríamos tener una conclusión general de los valores necesarios de P, I y D para controlarlo bien. Posiblemente el mejor método para testear un proceso para determinar su característica natural es poner el controlador en MODO manual y realizar un step-change (escalón de salida) en la señal de salida del controlador. Es criticamente importante que el controlador este en modo manual en el momento que las características del proceso estén siendo exploradas. Si el controlador es dejado en MODO automático, la respuesta que miraremos del proceso a un setpoint dado o cambio de carga será parcialmente la característica natural del proceso mismo y parcialmente la acción correctiva del controlador. La acción correctiva del controlador por tanto interferiría con nuestra meta de explorar las características de nuestro proceso. Por el contrario, poniendo el controlador en modo MANUAL inhabilitamos la acción correctiva (removemos efectivamente su influencia rompiendo el lazo realimentado entre el proceso y el controlador, controlador y proceso). En modo manual, la respuesta que vemos del proceso para una salida (variable manipulada) o cambio de carga es PURAMENTE una función de la naturaleza dinámica del proceso, la cual es precisamente lo que deseamos reconocer. El testeo o exploración de la característica de un proceso con el controlador en modo manual es frecuentemente llamado open-loop test o “prueba a lazo abierto”, porque el lazo realimentado es “abierto” y ya no es más un lazo completo. Esta prueba es una técnica de diagnóstico fundamental que aplicaremos en los siguientes artículos. 4.5. Comunicación del controlador con otros instrumentos. Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan en señ ales an aló gicas neumáticas (0, 2-1 bar utilizadas en pequeñas plantas y en las válvulas de control), electrónicas de 4- 20 mA c.c. y digitales, s iend o es tas últimas capaces de manejar g rand es v o lú me n es d e d ato s y g uar darlo s en unidad es his tóricas, las que están aumentando día a día su s aplicaciones. En áreas remotas o de difícil acceso tienen cabida los transmisores sin hilos típicamente de presión, señales acústicas y temperatura que transmiten sus medidas a un ap arato base de r adio con ectado a un sistema de control o de adquisición de datos. La exactitud de las señales digitales es de unas 10 veces mayor que la señal clásica de 4-20 mA c.c. En lugar de enviar cada variable por un par de hilos (4-20mA c.c. ), transmiten secu encialmente las var iables a tr av és de un cable de comunicaciones llamado bus.

Conclusión. Un trabajo de investigación que me ayudó para aterrizar algunos conceptos que ya había visto anteriormente en otras materias e incluso en esta, pude aprender de manera autodidacta por medio de la recopilación de la información los diferentes tipos de sistemas que existen, como actúan físicamente y las variables que influyen en su comportamiento y en el caso del lazo cerrado, en su toma de decisiones.

Bibliografía. Lee, J. A. (2011). 4.2 MODOS DE CONTROL APLICADOS EN INSTRUMENTACIÓN.docx. Scribd. https://es.scribd.com/document/461437793/42-MODOS-DE-CONTROL-APLICADOS-EN-INSTRUMENTACION-docx Piedra, S. (2014). Modos de control aplicados en instrumentaciÃ3n. prezi.com. https://prezi.com/aqnbdk9ol5ks/modos-de-control-aplicados-en-instrumentacion/ B. (2020, 5 ju...