LABORATORIO N° 4“Hidráulica 2”

Profesor: Arthur Partarrieu IbáñezAsignatura: Electrónica II

Introducción

En el siguiente informe se dará a conocer la experiencia desarrollada en el laboratorio con el controlador P.I.D, sus diferentes modalidades (control perfecto, control imperfecto, error en el nivel), y el uso del controlador todo o nada.

Una breve explicación acerca de los sistemas de control P.I.D, todo o nada, las características de un sistema de control (estabilidad, exactitud y velocidad de respuesta)

Controlador P.I.D.

Controlador proporcional: consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional para lograr que el error en estado estacionario se aproxime a cero. Pero en la mayoría de los casos, estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenómeno se llama sobre oscilación y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobre oscilación. Hay una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control. La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa.

El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el offset, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o  sumarlo  por un período determinado; Luego es multiplicado por una constante Ki. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin offset.

La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral). La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el error se incremente.El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en minutos de anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso entre el movimiento de la válvula de control y su repercusión a la variable controlada.

Banda proporcionalEl término banda proporcional designa la cantidad de cambios que necesita la entrada para proveer un completo rango de cambios a la salida, y puede ser calculado utilizando la siguiente ecuación:

Nota: La banda proporcional puede superar el 100%. En ese caso, el control PID se aplica a todo el rango del sistema.

El Valor de Proceso (PV) de este sistema es 0-100ºCLa banda proporcional es del 10%. Esto significa que el rango de la banda

proporcional es de 40 a 60ºC (10º por arriba y por abajo del SP).

La acción proporcional comienza después de que el PV entre en la banda proporcional; en ese punto, el error es el 100%. La acción da salida a un valor en forma de proporción lineal directa del tamaño del valor de error.

Una banda proporcional ancha provoca una respuesta inicial más gradual del controlador. Normalmente, la sobre modulación del punto de consigna es baja, pero cuando se estabiliza el sistema, las oscilaciones en torno al punto de consigna tienden a ser mayores. Provocando un offset.

Efecto de una banda proporcional demasiada ancha

Una banda estrecha provoca una respuesta rápida que suele sobre modular el punto de consigna con un mayor margen. Sin embargo, el sistema tiende a estabilizarse más cerca del punto de consigna. Tenga en cuenta que una banda proporcional ajustada al 0,0% realmente fuerza al controlador al modo On/Off.

Efecto de una banda proporcional muy angosta

La desventaja del control proporcional es que puede provocar que el sistema se estabilice por debajo del punto de consigna. Esto produce cuando el sistema está en el punto de consigna, el error es cero y la salida del valor de control se enclava también pues en cero. La mayoría de los sistemas precisan una alimentación continua para ejecutarse en el punto de consigna. Esto se logra integrando el control derivado e integral en el sistema.

Controlador on off: los controladores de éste tipo tienen dos posiciones estables, conmutando entre uno y otro según el valor de E(s). Para evitar que el control conmute en forma descontrolada, la variable de control cambiará de valor sólo cuando presente valores fuera de un cierto intervalo, de esta manera se define como zona muerta o brecha diferencial al intervalo dentro del cual el controlador no conmuta.La brecha diferencial permite que el controlador no conmute indiscriminadamente ante pequeñas variaciones de E(s), (en general debido a ruidos).

Lo anterior es representado en el siguiente gráfico:

El inconveniente que posee este sistema de control es que el PV oscila indefinidamente en torno a su SP a causa de la acción de control. Esta oscilación se produce debido a:Perturbaciones del sistemaImposibilidad de ajuste exacto de la acción correctiva.

Existe un inconveniente del uso de una brecha diferencial o zona muerta: el PV se desvía más del SP que un sistema sin zona muerta.

Zona muerta ancha

Zona muerta angosta

Características del sistema de control ON-OFF:

Modo de control depende del signo del error.

Variación cíclica continúa de la variable controlada.

El controlador no tiene la capacidad para producir un valor exacto en la variable controlada para un valor de referencia.

Funcionamiento óptimo en procesos con tiempo de retardo mínimo y velocidad de relación lenta.

Tiene un simple mecanismo de construcción, por eso este tipo de controladores es de amplio uso, y mayormente son utilizados en sistemas de regulación de temperatura.

Ventajas del sistema de control ON-OFF:

Es la forma más simple de control.

Bajo precio de instalación.

Fácil instalación y mantenimiento.

Amplia utilización en procesos de poca precisión.

Desventajas del sistema de control ON-OFF:

Mínima precisión.

Desgaste del elemento final de control.

Poca calidad con el producto terminado

Características de un sistema de control:

En un sistema de control existen tres características fundamentales que son: estabilidad, la exactitud y el tiempo de respuesta.

EstabilidadSe dice que un sistema de control estable es aquel que responde en forma limitada a cambios limitados en la variable controlada.Es decir si ocurre un cambio en la señal de referencia o se produce una perturbación el sistema al principio se desviara de su valor y volverá luego a alcanzar el valor correcto.Un sistema inestable en cambio producirá oscilaciones persistentes o de gran amplitud de la variable controlada.

Exactitud: un sistema exacto es aquel capaz de mantener el error en un valor mínimo. O en todo caso aceptable.En la realidad no existen sistemas absolutamente exactos debido a las pequeñas imperfecciones de sus componentes, pero se consideran sistemas exactos aquellos que satisfacen los requerimientos del sistema. Por lo general el costo de un sistema tiende a aumentar la exactitud.

Velocidad de RespuestaEs la rapidez con que la variable controlada se aproxima a la señal de referencia.Un sistema debe responder a cualquier entrada en un tiempo aceptable, ya que aunque un sistema sea estable y tenga la exactitud requerida, si este es demasiado lento no tiene ningún valor.

Controlador

El controlador se encarga de supervisar el sistema mediante un algoritmo establecido y permite mediante la conexión con el PC monitorizar variables y modificar parámetros del controlador

Controlador marca OMRON E5AK

Estación de nivel del proceso de control

Elementos que lo componen

Elemento de controlEn este caso, contamos con un controlador marca OMRON E5AK con un sistema de control continuo proporcional-integral-derivativo [PID]. El cual posee una condición de valor de entrada [valor de referencia/ punto de consigna/ set point].

Como en este laboratorio se trabaja con nivel de agua, se ajusta el valor deseado en 40 cm de agua [SV= 40 cm]

El controlador marca OMRON E5AK solo trabaja con señales de corriente:4-20 [mA] de entrada y 4-20 [mA] de salida

Monitoreo de control, sistema de control a escala [Supervisión general de todos estos módulos]

La variable PV: no se puede modificar, ya que representa lo que entrega el proceso.

Intérprete: ya que el controlador solo trabaja con señales de corriente y el actuador, en este caso con presión. Se requiere un convertidor de señal de corriente a presión.

Entrada 4-20 [mA], Salida 3-15 [Psi]

En el laboratorio había otro tipo de convertidor, que en el caso del laboratorio no nos servía, debido a que las unidades de conversión son distintas.

Las unidades deben ser acordes a las necesidades que se tenga en el procesoCuando llegan 4 [mA] en la salida salen 3 [psi]

Actuador: Es el mecanismo encargado de realizar el trabajo.En este caso el actuador es una válvula neumática, con un rango funcionamiento de 3 – 15 [psi], que se le añadió un manómetro para ver la presión interna de la válvula.

Manómetro para ver la presión interna de la válvula neumática

Observación: Los elementos de control no parten desde 0 ya que si lo hiciera no se tendría certeza de que esté funcionando, en el caso del laboratorio lo mínimo eran 3, si marcaba 0 indica condición de falla.

Estanque: es el depósito donde descargaba el agua, la cual contaba con una regla graduada en centímetros, cuyo fin, era mostrar el nivel del agua. En su interior contaba con un par de varillas capacitivas.

Descripción del circuito

En la parte trasera del panel existen dos estanques ubicados uno en la parte baja y el otro se ubica en la parte alta del panel, una bomba centrifuga es la encargada de hacer circular el agua por el sistema.Cuando el caudal de agua es expulsado por la bomba centrifuga, pasa a través de un flujometro, el cual mide el caudal que pasa en esa zona del sistema, en su interior se tiene un flotador, el cual mide la velocidad del caudal de agua. Se puede medir en [galones/min] o [litros/min]

Existe la posibilidad de hacer circular el agua desde el estanque inferior directamente al estanque superior para generar un lazo cerrado o se mete a la línea de control, se puede controlar en forma eléctrica o neumática.

Posteriormente tenemos la descarga al estanque donde tenemos un flujo de agua.

Experiencia control continuo PID

Se fijo la variable SV en 40 cm, la bomba hizo circular el agua a través de flujometro y luego paso por el sistema de control, en este caso se hizo circular el agua a través de la válvula neumática y de ahí la descarga al estanque.

Cuando se llego al nivel deseado el controlador mando una señal a la válvula neumática, para que se cerrara, cuando el agua comenzó a bajar de los 40 cm, el controlador envió la señal a la válvula neumática, la cual se abrió, permitiendo el paso del agua. Hasta llegar al nivel deseado otra vez. La válvula se volvió a cerrar, impidiendo el paso del caudal de agua. Cada vez que el nivel bajaba del SV, el controlador mandaba la señal a la válvula para que se abriera y se cerrase cuando se llegara al valor deseado. Y así se continúo repitiendo el ciclo.

En una segunda experiencia el agua no subía o subía en forma muy lenta

Se inicio el sistema pero el agua no aumentaba su nivel como lo había hecho anteriormente, si no, que en esta oportunidad el nivel del agua subía en forma muy lenta.Esto era debido a que el comportamiento del controlador estaba más lento, por lo tanto no alcanzaba o a generar las necesidades del circuito, debido al ajuste realizado a la banda proporcional, Una banda proporcional ancha provoco una respuesta inicial más gradual del controlador mientras que una banda proporcional angosta provoco una respuesta más rápida.Se ajusto un 500 % de banda proporcional y como se esperaba, el sistema reacciono en forma bastante lenta, en el segundo caso, se ajusto un 1% de banda proporcional y el sistema reacciono en forma rápida a las necesidades.

En una tercera experiencia el agua no se detuvo al llegar al SV.

En esta parte se mantuvo el SV antes fijado y se abrió el sistema, el agua comenzó a circular, pero cuando el nivel del agua llego al SV fijado, la válvula neumática se cerró ante la señal del controlador, pero el agua continuaba subiendo, esto fue debido a un error producido por el profesor guía, el cual produjo un by pass en el circuito.

En este caso el agua ingreso a la línea de control pero no paso por la válvula neumática si no, que paso por la electro válvula, al seguir subiendo el nivel del estanque se activo la alarma temprana y posteriormente se activo la alarma.

Como conclusión del controlador P.I.D, podemos decir que no importa lo caro que sea el controlador, ya que todo depende de los ajustes realizados al sistema.Se deben ajustar los parámetros para no sacrificar el sistema por falla del actuador [válvula neumática], en el caso del laboratorio se requiere que el actuador trabajara mas amortiguado, para prolongar su vida útil.Para lograrlo se procede a controlar los parámetros establecidos, en este caso se procede a sacrificar 1 cm de agua modificando así el offset por el bien de nuestro actuador

Experiencia controlador on-off/ todo-nada

Utiliza los mismos componentes del circuito anterior, solo que ahora se le agrega una nueva estación, que es el controlador on-off.

Se cumplen los mismos pasos, solo que esta vez la señal de control proviene desde este controlador y no del controlador P.I.D.

En esta experiencia el nivel del agua no alcanzo el SV configurado [40 cm]. Solamente alcanzo a 29 [cm]. La razón de esto fue que el controlador perdió el control. Existe una condición especial que ocurre en este caso en particular, las varillas capacitivas en el interior del estanque son de distinta longitud, la de mayor longitud se encuentra en contacto con el líquido, al ir aumentando el nivel la segunda varilla entra en contacto con el agua lo que consigue cerrar el circuito, logrando con esto que la bomba no levante caudal.Cuando el nivel del agua baja por debajo de la varilla se abre el circuito y comienza a subir el nivel.Este mismo proceso se podía lograr con un sistema de flotador.

Conclusión: Al finalizar el trabajo podemos decir que no importa el valor del controlador, si no que todo depende de los ajustes realizados al sistema.

El controlador PID posee un mayor uso para actividades que requieren de un gran control, porque a diferencia del controlador on-off (controlador discontinuo), este controlador, monitorea y controla continuamente el sistema.El sistema on-off es conveniente para usarlo en sistemas que no requieren una gran precisión. Ya que al ser de dos posiciones, el sistema posee un valor designado, cuando el controlador on- off se encuentra por debajo de este valor se prende y cuando supera este valor el controlador se apaga, ese intervalo es conocido como la zona muerta y es por esta razón es que el controlador no funciona para funciones de precisión

Bibliografía

http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-95.htmhttp://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/9772/01_Mem%20ria.pdf;jsessionid=ACD2A8583090543F176E9CBE3DDE8706?sequence=2http://www.academia.edu/3262667/Diseño_y_construcción_de_un_sistema_inteligente_de_control_de_presión_nivel_temperatura_y_flujo_en_un_sistema_de_agua_de_uso_domésticohttps://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_PID