Archivo de Word - Laboratorio de Control Automático

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS CD. JUÁREZ
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
PRÁCTICA 9
METODOLOGÍA INTEGRAL PARA AUTOMATIZAR UN LAZO DE
CONTROL
Rosa Elia Chacón
Diana Delgado
Carlos Hernández
Objetivos:
• Conocer el procedimiento para automatizar un lazo de control PID de un proceso
• Investigación acerca de las soluciones comerciales al control de nivel en diferentes
compañías de automatización (Elementos de medición y acción final comunes).
Fundamentación teórica:
Esta práctica es la integración de todas las prácticas anteriores y plantea al estudiante que
sintetice y reúna en una metodología todo el procedimiento que aprendió para
automatizar un proceso real.
Desarrollo de la práctica:
1) El alumno integrará y propondrá un reporte integral.
Propuesta y metodología para hacer el control PID real
Esta práctica engloba lo visto en el semestre y es una especie de síntesis de todos los
conocimientos adquiridos. A lo largo de la práctica se describirán los pasos a seguir para
la implementación de un sistema de control para una planta dada, más específicamente
una planta de nivel.
METODOLOGÍA
1. Descripción de la planta
En este paso se estudia la planta, definiendo su funcionamiento, los parámetros a
controlar y el tipo que de señales que se utilizarán.
2. Definición de los componentes del sistema
Una vez que hemos identificado el proceso a controlar necesitamos proponer elementos
de acción final, medidores e identificar las perturbaciones del sistema.
3. Tipo de lazo de control a implementar
De acuerdo a las necesidades y capacidades que nos presenta el sistema identificado,
proponemos qué tipo de lazo utilizaremos, puede ser: lazo abierto, lazo cerrado, cascada
y antealimentado.
4. Construir el diagrama de bloques
De acuerdo a todos los parámetros definidos anteriormente se realizará el diagrama de
bloques proponiendo el elemento o componente real que se va a utilizar para cada bloque.
5. Realización del diagrama ISA
En el paso anterior se definió cada elemento necesario para el sistema, ahora vamos a
colocarlos en un diagrama utilizando la simbología ISA, esto para estandarizar el proceso
y que el funcionamiento sea más claro para cualquier persona ajena a él. En este paso aún
no sabemos qué elemento de acción final o qué medidores utilizaremos pero si sabemos
si son de flujo, nivel, temperatura, etc.
6.
Búsqueda de componentes
A continuación se realiza una búsqueda entre los principales proveedores comparando
precios, funcionalidad, tamaño, adaptación y alimentación. Se elige el instrumento
óptimo para cada función del proceso tomando en cuenta la comparación anterior y las
características requeridas para nuestro proceso.
7. Identificación de la planta
Para este paso la planta ya esta construida físicamente y operan todos los componentes
exceptuando al controlador. Se pone a funcionar el proceso y se obtiene la respuesta
transitoria a una entrada escalón para obtener la función de transferencia del sistema. Para
modelar el sistema se debe analizar la gráfica de la respuesta obtenida y aproximar el
sistema a primer o segundo orden según sea el caso.
Para modelarlo como un proceso de primer orden se encuentra la Tau gráficamente
obteniendo la pendiente de la línea que parte del origen y llega a la unidad cuando la
señal se encuentra en el 63.2% de su valor final, a partir de este valor se obtiene la
función de transferencia tomando en cuenta los retardos de tiempo y el desfase
ocasionado por el punto de inicio.
Si el sistema se va a modelar como un proceso de segundo orden, primero se define si es
subamortiguado, críticamente amortiguado o sobreamortiguado viendo la gráfica de la
respuesta. Después de encuentran los parámetros  n y  , utilizando una gráfica
experimental y los tiempos en los que se alcanza el 20% y el 60% del valor final. Con los
parámetros anteriores se propone la función de transferencia del proceso.
8. Sintonización del controlador
Se deben ajustar los parámetros de controlador para obtener la respuesta deseada en la
planta. Existen diversos métodos de sintonía para los controladores, entre los que se
encuentran: prueba y error, los propuestos por Ziegler & Nichols, los criterios integrales
y la opción de autosintonía (autotune) del controlador, si este la posee.
Cuando se obtienen los parámetros con cada método se deben comparar las respectivas
respuestas y utilizar la que mejor se adapte a las necesidades, se recomienda simular el
sistema en MATLAB utilizando la herramienta Simulink para que estas pruebas sean más
simples. Una vez que se ha elegido el tipo de controlador y los parámetros a utilizar se
realizan pruebas con el controlador real y los valores obtenidos para hacer un ajuste fino,
ya que ningún método proporciona alta exactitud en la sintonización.
9. Análisis de estabilidad
Para asegurar la estabilidad del sistema proponemos realizar el lugar geométrico de las
raíces y así saber si el sistema es estable en todo momento o si existen ganancias críticas
que al sobrepasarlas nuestro sistema se vuelve inestable. Si no se está seguro respecto al
controlador a utilizar (quedó alguna duda en el paso anterior) se pueden comparar los
diagramas para observar las respuestas y tener más fundamentos al realizar la decisión.
Para simplificar este paso se puede utilizar la herramienta MATLAB y no habrá
necesidad de hacer el procedimiento analíticamente.
10. Respuesta a la frecuencia
Proponemos realizar un análisis de la respuesta en frecuencia y construir los diagramas
de Bode y Nyquist para así encontrar los márgenes de ganancia y frecuencia, además de
observar la estabilidad del sistema. Se puede utilizar el programa MATLAB para realizar
este análisis con mayor precisión.
11. Metodologías para realizar un control más preciso
Si el control no es preciso o se quiere mejorar su funcionamiento podemos implementar
estrategias de control más avanzadas tales como el control antealimentado y el control en
cascada. Es importante recalcar que el costo de instalación puede aumentar debido a los
medidores que se tienen que agregar y a las funciones extras requeridas en el controlador,
por lo que se recomienda analizar bien si es necesario hacer estos cambios.
Los pasos propuestos en nuestra metodología son una guía rápida del proceso a seguir. Si
se requiere de una explicación más profunda en algún punto es recomendable referirse a
las prácticas anteriores:
Práctica
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Práctica # 1
Práctica # 2
Práctica # 3
Práctica # 4
Práctica # 5
Práctica # 6
Práctica # 7
Práctica # 8
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Paso en la Metodología
Descripción de la planta
Definición de los componentes del
sistema
Tipo de lazo de control a
implementar
Construir el diagrama de flujo
Realización del diagrama ISA
Identificación de la planta
Sintonización del controlador
Análisis de estabilidad
Respuesta a la frecuencia
Identificación de la planta
Identificación de la planta
Sintonización del controlador
Análisis de estabilidad
Respuesta a la frecuencia
Tipo de lazo de control a
implementar
Metodologías para realizar un
control mas preciso
SOLUCIONES COMERCIALES AL CONTROL DE NIVEL
Medidores de presión diferencial y caudal SAMSON
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Aparato destinado a la medición e indicación de presión diferencial o magnitudes
de medición derivadas de ella.
Para gases y líquidos
Márgenes de medición de 0 ... 40 hasta 0 ... 4000 mbar1)
Presiones estáticas hasta 40 bar.
Sobre demanda con dos contactos final de carrera inductivos.
Funciones:
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Mediciones de nivel de líquidos en depósitos a presión, especialmente para gases
criogénicos licuados.
Medición de presión diferencial entre el tramo primario y el retorno.
Mediciones de caída de presión en válvulas y filtros.
Mediciones de caudal según el sistema de presión diferencial.
Características:
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Adecuados para líquidos, gases y vapores.
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Facilidad para equiparlos posteriormente con contactos final de carrera.
Posibilidad de sobrecargarlos unilateralmente hasta la presión estática máxima
admisible.
Adecuados para montaje en campo y en panel.
Ajuste del cero por delante.
Modificación del margen de medición.
Carcasa del indicador asegurado contra rotura.
Bloque de válvulas con conexión para control de la presión del depósito acoplable
directamente.
Conexión para presostato.
Para la explicación del funcionamiento de los medidores, ir a las especificaciones
anexadas.
ANDERSON GREENWOOD SERIES 200 PILOT OPERATED SRV VALVE
La válvula Anderson Greenwood utiliza el principio de la presurización del área superior
del área diferencial del pistón con presión lineal para mantener el pistón cerrado para
definir la presión. Al definir la presión, la válvula se suelta, despresurizando el volumen
en el área superior del pistón causando que el pistón se eleva y la válvula principal se
suelta. Cuando el piloto se asienta, el volumen en el área superior del pistón es
represurizada y la válvula principal se cierra.
Rango de presión:
25 psig a 10,600 psig
Para mayor información sobre la válvula referirse a las especificaciones anexadas.
POSICIONADOR
ELECTRONEUMÁTICO
NEUMÁTICOS BURKERT
PARA
ACTUADORES
Características:
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Controlador de proceso integral (característica PID)
Electrónica Digital
Indicación de posición opcional
Acoplamiento a actuadores lineales o rotativos}
Opción de sensor de posición externo o interno.
El posicionador SideControl tipo 1067 sirve para regular la posición de válvulas de
actuador neumático. SideControl tiene aplicaciones en diversas áreas mediante conexión
a válvulas de proceso o a actuadotes lineales y rotativos. Se puede acoplar a sensores de
posición independientes o sistemas de posicionamiento neumático. El diseño compacto
del cuerpo de aluminio y la disponibilidad de versiones para bajas capacidades de flujo de
aire que permiten emplearlo con válvulas de posicionamiento de tamaños y diámetros
nominales pequeños.
El controlador de proceso PID integral puede activarse para configurar bucles de control
descentralizados.
Para mayor información sobre el posicionador referirse a las especificaciones anexadas.
Dentro de la práctica 1 se encuentran más componentes que pueden ser parte del
proceso de nivel, con sus respectivas especificaciones.
Conclusión:
Con esta práctica hemos resumido y finalizado lo visto durante el semestre. Esta
metodología la consideramos muy importante debido a que nos ayuda a implementar el
control de cualquier proceso. Consideramos que el dejar los pasos de una manera general
y resumida simplifica su aplicación ya que el conocimiento global lo hemos plasmado en
las prácticas anteriores.
Bibliografía:
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
Biblioteca digital
Búsqueda en Internet.
Ingeniería de Control Moderna. Prentice Hall. Ogata, 2003.
Burkert. Burkert Fluid Control Systems.
http://www.burkert.es/ESN/buerkert_datasheets.php?type=1067
Samson. Medidores de presión diferencial y caudal (Media).
http://www.samson.de/pdf_in/_sk16_me.htm
Tyco. Anderson Greenwood Series 200 POSRV.
http://www.tycoflowcontrol-na.com/