Servocontrol de sistemas neumáticos

Fluidos

Servocontrol de sistemas neumáticos

Impreso en Canadá

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Fluidos

Servocontrol de sistemas neumáticos

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FLUIDOS

SERVOCONTROL DE SISTEMAS NEUMÁTICOS

por el equipo técnico

de Lab-Volt (Quebec) Ltda.

Copyright © 2003 Lab-Volt Ltda.

Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publicación puede ser reproducida, de ninguna forma ni

. por ningún medio, sin la previa autorización escrita de LabVolt Quebec Ltda.

Depósito legal - Segundo trimestre de 2003

ISBN 2-89289-635-5

PRIMERA EDICiÓN, JUNIO DE 2003

Impreso en Canadá Junio de 2003

Prefacio

El programa de Neumática de Lab-Volt es un paquete modular para la capacitación en el campo de la neumática. El sistema didáctico de neumática consiste en un programa de introducción y en un programa de enseñanza avanzado.

El programa de introducción consta de dos manuales: El volumen 1, Neumática - Principios básicos, cubre los principios básicos de la neumática; el volumen 2, Control eléctrico de sistemas neumáticos, cubre los circuitos eléctricos y los diagramas en escalera para las aplicaciones en neumática.

El programa de enseñanza avanzado se extiende más allá del programa de introducción con las aplicaciones de demostración de los autómatas programables (PLCs), el servocontrol proporcional y los sensores. Las aplicaciones cubiertas están basadas em aquellas que se encuentran en la industria.

Este manual, Servocontrol de sistemas neumáticos, presenta a los estudiantes los sistemas de Servocontrol proporcional y sus circuitos asociados. Como prerequisito de este manual, el estudiante debió haber completado el programa de introducción en neumática.

El manual Guía del profesor para neumática de Lab-Volt (P/N 31290-10) contiene las respuestas a todas las preguntas de los pasos del procedimiento y de las preguntas de revisión que se encuentran en este manual.

111

. .... ¡..

Tabla de contenido

Introducción . ............................................... VII

Ejercicio 1 Introducción a las válvulas con servocontrol

Descripción y operación de las válvulas con servocontrol del tipo de presión. Características de presión versus voltaje de la Válvula con servocontrol del equipo didáctico. Introducción a la sección PUNTOS DE REFERENCIA del Regulador PID del equipo didáctico

Ejercicio 2 Control de la aceleración y desaceleración

Eliminación de arranques y paradas abruptas de un actuador con el control de aceleración y desaceleración. Introducción al GENERADOR DE RAMPA del Regulador PID del equipo didáctico

Ejercicio 3 Control de lazo abierto de la posición

Descripción de los sistemas de control de lazo abierto de la posición. Definición de los términos lazo abierto, lazo cerrado y perturbaciones. Medición de la posición de una barra del cilindro. Control de lazo abierto de la posición de la barra del cilindro del equipo didáctico.

Ejercicio 4 Control de lazo cerrado, modo proporcional

Descripción de los sistemas de control de lazo cerrado. Definición de los términos ganancia proporcional, banda proporcional, error residual, y reinicio manual. Ventajas y desventajas del modo de control proporcional.

Ejercicio 5 Control de lazo cerrado, modo proporcional más integral

Descripción del modo de control integral. Definición de los términos ganancia integral, sobreelongación y oscilación. Ventajas y desventajas del control integral. Comparación de los modos de control proporcional, integral y proporcional más integral.

Ejercicio 6 Control de lazo abierto de la velocidad

Descripción de los sistemas de control de lazo abierto de la velocidad. Medición de la velocidad de un motor neumático. Control de lazo abierto de la velocidad del motor del equipo didáctico y el ajuste del intervalo.

v

VI

Tabla de contenido (continuación)

Ejercicio 7 Control de lazo cerrado de la velocidad, Modo proporcional más integral más derivativo

Descripción of el modo de control derivativo. Definición de los términos tiempo derivativo, configuraciones ideal y paralela. Ventajas y desventajas del control derivativo. Descripción del modo de control proporcional más integral más derivativo. Comparación de los modos de control proporcional, proporcional más integral y proporcional más integral más derivativo.

Ejercicio 8 Control de lazo cerrado de la presión, Modo proporcional más integral

Descripción del control de lazo abierto y lazo cerrado del circuito de presión. Midiendo la presión utilizando un transductor de presiór..

Apéndices A B C D E F G

Bibliografía

Tabla de utilización del equipo Procedimiento de verificación del estado del equipo didáctico Símbolos hidráulicos y neumáticos Ajuste del transductor de presión Factores de conversión Cuidado del equipo neumático Nueva terminología

¡Nosotros valoramos su opinión!

Introducción

La necesidad de alcanzar un control más fino y preciso de la maquinaria creó el servocontrol. El servocontrol electroneumático proporciona un control más exacto que el que puede dar el control manual o de solenoide. Esto se puede lograr al unir el control electrónico con las servo válvulas o válvulas proporcionales.

Los temas cubiertos en este curso incluyen el diseño y la operación de las válvulas con servocontrol de tipo presión; el control de la aceleración y desaceleración; el control de la posición en modo de lazo abierto y en el modo proporcional (P) de lazo cerrado y el modo proporcional más integral (PI); el control de la velocidad de lazo abierto y en modo de control proporcional más integral más derivativo (PID) de lazo cerrado; el control de la presión en modo proporcional más integral (PI) de lazo abierto y lazo cerrado.

Los ejercicios en este manual proporcionan un aprendizaje sistemático y realista de la materia tema. Cada ejercicio contiene:

un OBJETIVO DEL EJERCICIO claro y definido. la sección PRINCIPIOS que presenta la teoría involucrada. un RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO el cual proporciona un puente entre la presentación teórica y el procedimiento de laboratorio. un PROCEDIMIENTO de laboratorio paso a paso en el cual el estudiante observa y mide fenómenos importantes. A través del procedimiento, hay preguntas que dirigen el proceso de reflexión del estudiante y ayudan al aprendizaje de los principios involucrados. una CONCLUSiÓN que resume el material presentado en el ejercicio. Las PREGUNTAS DE REVISiÓN para verificar que el material ha sido asimilado correctamente.

VII

Ejercicio 1

Introducción a las válwlas con servocontrol

OBJETIVO DEL EJERCICIO

• Describir la operación de las válvulas con servocontrol; Dibujar la curva presión/voltaje de la Válvula con servocontrol del equipo didáctico.

PRINCIPIOS

En cualquier válvula de control, la entrada controla la salida. La cantidad de control varía con el tipo de entrada y el tipo de válvula. En una válvula de control de solenoide, únicamente se puede controlar la dirección. En una válvula controlada manualmente, la dirección y el caudal se pueden controlar variando la cantidad de la entrada.

En una válvula con servocontrol, la dirección y el flujo o la dirección y la presión, o una combinación de dirección, flujo y presión se pueden controlar variando la señal eléctrica de entrada.

Las válvulas con servocontrol se clasifican como control de flujo y control de presión. Una válvula con servocontrol de tipo "flujo" proporciona un caudal de salida proporcional para una señal de entrada proporcional. Una válvula con servocontrol del tipo "presión" proporciona una presión de salida proporcional a la señal de entrada.

Ambos tipos de válvulas con servocontrol están disponibles en varias configuraciones de válvulas. Las de dos vías son por lo general de tipo de presión y se utilizan para controlar la presión en un sistema. Éste es el tipo de válvula suministrada con el equipo didáctico de neumática.

Una aplicación típica de una válvula con servocontrol de dos vías, del tipo presión, es proporcionar un control exacto de la fuerza de sujeción er aplicaciones de robótica, como lo muestra la figura 1-1.

1-1

Introducción a las válvulas con servocontrol

1-2

0<SZ3

Figura 1-1. Control de la fuerza de sujeción en aplicaciones de robótica.

Construcción y operación de las válvulas con servocontrol de tipo presión

El diagrama esquemático de la Válvula con servocontrol suministrada con su equipo didáctico en neumática se muestra en la figura 1-2. Los componentes principales de estas válvulas son las válvulas ce entrada y de escape, el transductor de presión y el circuito de control electrónico. Este tipo de válvula también se denomina "Regulador de presión electroneumático".


SEÑAL DE REFERENCIA

VÁLVULA CON SERVOCONTROL r----------------------------, I I I I I I

------+--.¡ I

VÁLVULA DE ENTRADA

I

SUMINISTRO: DEAIRE :

I I I I L _________________ _

I I

VÁLVULA DE ESCAPE

TRANSDUCTOR DE PRESiÓN

PRESiÓN DE TRABAJO

ESCAPE A LA ATMÓSFERA

Figura 1-2. Diagrama esquemático de la Válvula con servocontrol del equipo didáctico.

La salida de la Válvula con servocontrol es una presión cuyo nivel es proporcional a una señal eléctrica de control. La señal eléctrica de control es un voltaje cc denominado "señal de referencia". El rango de la presión de salida de la válvula es O a 700 kPa (O a 100 psi).

La presión de salida se controla mediante dos válvulas solenoide. La primera válvula funciona como control de entrada y la otra como escape. Un transductor de presión interna vigila la presión de salida y proporciona una señal de realimentación al circuito electrónico de control.

La operación detallada de la válvula es la siguiente:

• Cuando la señal de referencia es cero, la válvula de entrada está en la posición de descanso, no fluye aire a través de la válvula y la presión de salida es cero.

• Cuando la señal de referencia aumenta, la válvula de entrada se activa y la válvula de escape permanece cerrada. La presión de suministro pasa a través de la válvula de entrada. El transductor de presión detecta y mide la presión de salida y entrega una señal de realimentación al circuito de control.

El circuito de control balancea la señal de referencia y la señal de realimentación para asegurar que la presión de salida permanezca proporcional a la señal de referencia. Una diferencia entre las dos señales hace abrir una de las dos válvulas permitiendo que el flujo entre o salga del sistema.

Cuando la válvula de escape se abre, el aire del circuito neumático se libera a la atmósfera. La exactitud de la presión de salida se mantiene regulando las dos válvulas solenoide.

1-3


1-4

La señal de salida del transduc:or de presión es proporcional a la presión de salida y es posible medirla a través de la salida 0-10 V de la Válvula con servocontrol.

La Válvula con servocontrol suministrada con el equipo didáctico se puede controlar utilizando una señal de control de 0-5 V o O-10 V. El lugar de los conectores, como también los puertos neumáticos de la válvula, se muestran en la figura 1-3.

ENTRADA 0-5 V

PUERTO DE ENTRADA

I ENTRADA 0-10 V

ENTRADAS DE VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN

SALIDA 0-10 V

PUE"lTO DE SALIDA

Figura 1-3. Válvula con servocontrol suministrada con el equipo didáctico en neumática.

Filtrado

Las válvulas con servocontrol son dispositivos de precisión que no pueden operar correctamente con aire contaminado. En consecuencia, por lo general se instala un filtro en el puerto de entrada.

La sección PUNTOS DE REFERENCIA del Regulador PID

El equipo didáctico viene con un Regulador PID, modelo 6367. Este diapositivo incluye controles y circuitos que se utilizan para operar automáticamente y con precisión la Válvula con servocontrol.

Como muestra la figura 1-4, el Regulador PID tiene una sección PUNTOS DE REFERENCIA la cual puede producir dos voltajes cc ajustables denominados señales de referencia. El ajuste de! PUNTO DE REFERENCIA 1 se realiza mediante el potenciómetro 1, mientras que el ajuste del PUNTO DE REFERENCIA 2 se hace con el potenciór:1etro 2. Cada PUNTO DE REFERENCIA se puede ajustar entre -10,0 V Y + 10,0 V.


POTENCiÓMETRO PUNTO DE REFERENCIA 1

POTENCiÓMETRO PUNTO DE REFERENCIA 2

La sección PUNTOS DE REFERENCIA tiene dos salidas, marcadas 1 y 2:

• El voltaje a la salida 1 se controla por cualquier potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 o 2, dependiendo de cual PUNTO DE REFERENCIA se selecciona. La selección de un PUNTO DE REFERENCIA se realiza ya sea con el interruptor 81 o mediante una señal externa de 24 V cc proveniente de un relé electromecánico o un autómata programable (PLC). En cualquier caso el interruptor S1 se debe ajustar en la posición A.

• La salida 2 se puede utilizar en aplicaciones que requieran una fuente de voltaje cc ajustable. El voltaje en esta salida se controla por medio del potenciómetro 2.

CONTROLADOR P.I.D.

1-----------------------1

j PUNTOS DE REFERENCIA

S1 I

I ~: SALIDA PUNTO DE REFERENCIA 1 24V = I

I I I I I A:

B SALIDA PUNTO DE REFERENCIA 2 -10V-+10V

-10 V - +10 V

I I I , , L _______________________ ~

Figura 1-4. Sección PUNTOS DE REFERENCIA del Regulador PID.

Resumen del procedimiento

En la primera parte del ejercicio, Montaje del equipo, usted montará el equipo.

En la segunda, Familiarización y operación de la Válvula con servocontrol, se familiarizará con la operación de una válvula con servocontrol de tipo presión. Usted determinará las características de presión versus voltaje de la Válvula con servocontrol. Para hacer esto, utilizará el Regulador PID para variar el voltaje de control de la Válvula con servocontrol. Medirá la presión de salida de la válvula para cada ajuste del voltaje de control.

EQUIPO REQUERIDO

Consulte la tabla de utilización del equipo en el apéndice A del manual para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

1-5


1-6

PROCEDIMIENTO

Montaje del equipo

D 1. Conecte el circuito como se muestra en la Figura 1-5.

DIAGRAMA NEUMÁTICO

VOLTrMETRO cc

M/II'

FUENTE DE A_IMENTACIÓN DE 24-V CC

::>IAGRAMA DE CONEXiÓN

Figura 1-5. Circuito utilizado para determinar las características de presión versus voltaje de la Válvula con servocontrol del equipo didáctico.

Introducción a las válvulas con servo control

o 2. Verifique el estado del equipo didáctico según el procedimiento dado en el apéndice B.

Familiarización y operación de la Válvula con servocontrol

o 3. Encienda la Fuente de alimentación ce y el Regulador PID colocando sus interruptores de ALIMENTACiÓN en la posición 1. No abra en este momento las válvulas de clausura de la Unidad de acondicionamiento.

o 4. En la sección PUNTOS DE REFERENCIA del Regulador PID, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 colocando el interruptor S1 en la posición A.

Coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 0,0 V a la entrada 0-10 V de la Válvula con servocontro!.

o 5. En la Unidad de acondicionamiento, abra la válvula de clausura principal y la válvula de clausura de la ramificación requerida en el colector. Ajuste la presión del regulador para obtener 630 kPa (90 psi) en el manómetro de presión regulada.

o 6. En el Regulador PI D, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 1,0 V a la entrada 0-10 V de la Válvula con servocontro!. Registre la presión a la salida de la Válvula con servocontrol en la celda apropiada de la columna Presión de salida de la tabla 1-1.

VOLTAJE DE CONTROL PRESiÓN REGULADA PRESiÓN DE SALIDA

0,0 V 630 kPa (90 psi) o kPa (O psi)

1,0 V 630 kPa (90 psi)

2,OV 630 kPa (90 psi)

3,OV 630 kPa (90 psi)

4,0 V 630 kPa (90 psi)

5,0 V 630 kPa (90 psi)

6,OV 630 kPa (90 psi)

7,0 V 630 kPa (90 psi)

8,0 V 630 kPa (90 psi)

9,OV 630 kPa (90 psi)

10,OV 630 kPa (90 psi)

Tabla 1-1. Presión de salida versus voltaje de control.

1-7


1-8

o 7. Repita el paso 6 para cada uno de los voltajes de control listados en la tabla 1-1.

o 8. Teniendo como base la información registrada en la tabla 1-1 , dibuje en la figura 1-6 la gráfica de a presión de salida como una función del voltaje de control.

PRESiÓN DE SALIDA

(kPa)

700

630

560

490

420

350

280

210

140

70

o

[psi]

100 ----T----,-----r----T----,-----r----T----,-----r----' I I I I I I I I I I

90 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

80 ----+----~-----~----+----~-----~----+----~-----~----~ I I I I I I I I I I


60 ____ L ____ J _____ L ____ L ____ J _____ L ____ L ____ J _____ L ____ J

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

50 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

40 I I I I I I I I I I ----T----,-----r----T----'-----r----T----,-----r----' I I I I I I I I I I


20 ----+----~-----~----+----~-----~----+----~-----~----~ I I I I I I I I I I


o o 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VOLTAJE DE CONTROL (V)

Figura 1-6. Curva de la presión de salida versus voltaje de control de la Válvula con servocontrol.

o 9. Describa la curva que obtuvo en la figura 1-6 en términos de linealidad.

o 10. En el Regulador PID, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 5,0 Va la entrada 0-10 V de la Válvula con servocontrol.

¿Cómo varía la presiú1 de salida cuando se reduce el voltaje de control?


o 11. ¿Consultando la descripción de la operación de la Válvula con servocontrol en la sección de PRI NCI PI OS del ejercicio, explique porqué se escapó aire a la atmósfera cuando el voltaje de control se redujo?

o 12. En la Unidad de acondicionamiento, coloque el regulador de presión para obtener 350 kPa (50 psi) en el manómetro de presión regulada.

o 13. En el Regulador PI D, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 1,0 V a la entrada 0-10 V de la Válvula con servocontrol. Registre la presión a la salida en la celda apropiada de la columna Presión de salida de la tabla 1-2.

Utilice su voltímetro cc para medir el voltaje de salida a la salida 0-10 V (salida de vigilancia) de la Válvula con servocontrol. Registre el voltaje de salida en la celda apropiada de la columna Salida de vigilancia en la tabla 1-2.

VOLTAJE PRESiÓN PRESiÓN SALIDA DE DE CONTROL REGULADA DE SALIDA VIGILANCIA

O,OV 350 kPa (50 psi) O kPa (O psi) O.OV

1,0 V 350 kPa (50 psi)

2,OV 350 kPa (50 psi)

3,0 V 350 kPa (50 psi)

4,0 V 350 kPa (50 psi)

5,OV 350 kPa (50 psi)

6,0 V 350 kPa (50 psi)

7,0 V 350 kPa (50 psi)

Tabla 1-2. Presión de salida versus voltaje de control.

o 14. Repita el paso 13 para cada uno de los voltajes de control listados en la tabla 1-2.

1-9


1-10

o 15. ¿Cómo varía la presión de salida cuando el voltaje de control se excede 5,0 V? Explique.

o 16. Compare los voltajes de la salida de vigilancia y las presiones de salida indicadas en la tabla 1-2. ¿Esos valores confirman que el voltaje de la salida de vigilancia es proporcional a la presión de salida?

o Sí O No

o 17. En la Unidad de acondcionamiento, cierre las válvula de clausura y gire la perilla de ajuste del regulador completamente en sentido antihorario.

o 18. Apague el Regulador PID y la Fuente de alimentación cc.

o 19. Desconecte y guarde todos los cables y componentes.

CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted se familiarizó con la operación de una válvula con servocontrol neumático de tipo presión. Usted fue introducido a la operación de la sección PUNTOS DE REFERENCIA del Regulador PI D del equipo didáctico para controlar la Válvula con servocontrol.

Usted dibujó la curva de la presión de salida como una función del voltaje de control de la Válvula con servocontrol. Usted vio que la presión de salida es directamente y linealmente proporcional al voltaje de control.

PREGUNTAS DE REVISiÓN

1 . Nombre dos tipos de válvulas con servocontrol.

2. ¿Cuál otro nombre se utiliza también para identificar una válvula con servocontrol de tipo presión?


3. ¿Qué relación hay entre la presión de salida y el voltaje de control de una válvula con servocontrol de tipo presión?

4. ¿Qué le ocurre a la presión a la salida de una válvula con servocontrol de tipo presión cuando su voltaje de control se disminuye?

5. ¿Cuál es el propósito del transductor de presión interno de la Válvula con servocontrol?

1-11

Ejercicio 2

Control de la aceleración y desaceleración


• Aprender cómo eliminar un arranque abrupto de un actuador y a detenerlo con el control de la aceleración y desaceleración.

PRINCIPIOS


La válvula de control direccional convencional tiene solamente dos condiciones: abierta (paso) y cerrada (no paso). Por esta razón, éstas pueden causar un aumento repentino, detener o invertir el flujo de aire lo cual a su vez resulta en un movimiento violento del actuador.

Las válvulas con servocontrol, por el contrario, permiten una variación suave de la presión de aire. La variación suave se alcanza utilizando un GENERADOR DE RAMPA que convierte las transiciones rápidas del voltaje de control de la válvula en rampas con pendientes m, y m2 , como muestra la figura 2-1.

Las pendientes m, y m2 por lo general se ajustan independientemente utilizando potenciómetros separados. La pendiente m, controla la velocidad de cambio de los voltajes positivos ( +) y por tanto las velocidades de aceleración y desaceleración del actuador.

En el caso de una válvula de control direccional donde la dirección de corrimiento del carrete se determina por la polaridad del voltaje de control, la pendiente m2

controla la velocidad del cambio de los voltajes negativos (-) y por tanto la velocidad de aceleración y desaceleración del actuador en la otra dirección de movimiento. La Válvula con servocontrol suministrada con el equipo didáctico es de tipo presión y no necesita voltajes de control negativos.

Cuanto más pronunciada sea la pendiente, más rápida será la velocidad de la aceleración y desaceleración del actuador.

2-1


2-2

+v

VOLTAJE DE

ENTRADA DEL o -t----t------+------,---------r---GENERADOR

DE RAMPA

VOLTAJE DE SALIDA DEL

GENERADOR DE RAMPA

I I I I I

I I - V -- - -....1-----------1..-----------+------1

+v

o

m2

-V

Figura 2-1_ Voltajes a la entrada y a la salida de un GENERADOR DE RAMPA.

El GENERADOR DE RAMPA del Regulador PID del equipo didáctico

TIEMPO

TIEMPO

El Regulador PID comprende una sección GENERADOR DE RAMPA que se puede utilizar para "convertir a rampa" el voltaje de control aplicado a la Válvula con servocontrol, como lo muestra la figura 2-2.

• El potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA permite el ajuste del tiempo de la rampa para voltajes de control positivos. El tiempo de la rampa se puede establecer entre 0,5 s y 3 s para una variación de 10 V del voltaje de control positivo. Si por ejemplo, el tiempo de la rampa se establece en 3 s, ésta tomará 3 s para que el voltaje de control aumente desde 0,0 V a 10,0 V o disminuya desde 10,0 V a 0,0 V, pero tomará solamente 1,5 s para que este voltaje aumente desde 3,0 V a 8,0 V o disminuya desde 7,0 V a 2,0 V;

• El potenciómetro 2 del GENERADOR DE RAMPA permite el ajuste del tiempo de la rampa para voltajes de control negativos. El tiempo de la rampa se puede establecer entre 0,5 s y 3 s para una variación de 10 V del voltaje de control negativo. Si por ejemplo, el tiempD de la rampa se establece en 1,5 s, ésta tomará 1,5 s para que el voltaje de control aumente desde 0,0 V a -10,0 V o disminuya desde -10,0 V a 0,0 V, pero tomará solamente 0,75 s para que este voltaje aumente desde - 5,C V a -10,0 V o disminuya desde -6,0 V a -1,0 V.


POTENCiÓMETRO 1 ESTABLECE EL TIEMPO DE LA RAMPA PARA VOLTAJES

DE CONTROL POSITIVOS

ENTRADA (VOLTAJE DE REFERENCIA)

POTENCiÓMETRO 2 ESTABLECE EL TIEMPO DE LA RAMPA PARA VOLTAJES

DE CONTROL NEGATIVOS

CONTROLADOR P.I.D.

- -------------------, GENERADOR DE RAMPA ¡

MiN. : MÁX. I I

1\ .......... I I I

I

I

I

"7 I

MiN. MÁX I L ___________________ J

SALIDA (VOLTAJE DE CONTROL VUELTO RAMPA)

Figura 2-2. El GENERADOR DE RAMPA del Regulador PID.


En la primera parte del ejercicio, Volviendo rampa el voltaje de control, usted aprenderá cómo volver rampa el voltaje de control aplicado a la Válvula con servocontrol del equipo didáctico.

En la segunda parte del ejercicio, Control de la aceleración y desaceleración de un cilindro neumático, usted controlará la aceleración y desaceleración de una barra del cilindro.

EQUIPO REQUERIDO


PROCEDIMIENTO

Volviendo rampa el voltaje de control

o 1. En el Regulador PID, conecte la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1 a la entrada del GENERADOR DE RAMPA Y al voltímetrocc, como muestra la figura 2-3.

o 2. Encienda el Regulador PID.

2-3


2-4

~ PUNTOS DE REFERENCIA CETECTOR DE ERROR

-() 51 -()

~ ~: ~,~ !

,O ~ :1

2~~ ::L ~

Figura 2-3. Volviendo rampa el voltaje de control.

VOLTíMETRO ce

o 3. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 colocando el interruptor S1 en la posición A. Coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 10,0 V a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1.

o 4. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 colocando el interruptor S1 en la p':Jsición B. Coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 para obtener 0,0 V a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1.

o 5. Mientras vigila el voltaje a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1. ¿Aumenta instantáneamente el voltaje a 10,0 V?

o Sí O No

o 6. Mientras vigila el voltaje a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2. ¿Vuelve instantáneamente el voltaje a 0,0 V?

o Sí O No

o 7. Conecte el voltímetro cc a la salida del GENERADOR DE RAMPA.


o 8. Coloque el potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA en MÁX. Esto selecciona el tiempo máximo de la rampa para voltajes de control positivos.

o 9. Mientras vigila el voltaje de salida del GENERADOR DE RAMPA, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1. ¿Esto toma cerca de 3 s para que el voltaje alcance 10,0 V? Explique.

o 10. Mientras vigila el voltaje de salida del GENERADOR DE RAMPA seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2. ¿ Esto toma cerca de 3 s para que el voltaje vuelva a 0,0 V? Explique.

o 11. Coloque el potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA en MíN. Alternadamente seleccione los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para observar el efecto que tiene el disminuir el tiempo de la rampa en el voltaje de salida del GENERADOR DE RAMPA. Registre sus observaciones.

o 12. Coloque el potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA en MÁX. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener -10,0 V a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1. Deje el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 colocado en 0,0 V.

o 13. Coloque el potenciómetro 2 del GENERADOR DE RAMPA en MÁX. Esto selecciona el tiempo máximo de la rampa para voltajes de control negativos.

2-5


2-6

o 14. Altemadamente selecciona los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 Y observe qué sucede con el voltaje de salida del GENERADOR DE RAMPA. Trate con varios ajustes para el potenciómetro 2 del GENERADOR DE RAMPA Y registre sus observaciones.

o 15. Apague el Regulador PID.

Control de la aceleración y desaceleración de un cilindro neumático

o 16. Conecte el circuito como se muestra en la Figura 2-4.

Nota: El ajuste del potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA determinará la velocidad con la cual la fuerza generada por el cilindro será aplicada a la carga.


o 18. Encienda la Fuente de alimentación cc y el Controlador PID.

o 19. Coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 0,0 V Y 10.0 V, respectivamente, a la salida de PUNTO DE REFERENCIA 1. Luego seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1.

o 20. Coloque el potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA en MíN.

o 21. En la Unidad de acondicionamiento, abra la válvula de clausura principal y la válvula de clausura de la ramificación requerida en el colector.

Ajuste la presión del regulador para obtener 630 kPa (90 psi) en el manómetro de presión regulada.

o 22. Mientras vigila la fuerza generada por el cilindro sobre el dispositivo de carga, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2. Seleccione alternadamente los potenciómetros 1 y 2 para observar la velocidad con la cual la fuerza generada por el cilindro aumenta.


¿La fuerza aumenta rápidamente al valor máximo?

D Sí D No

MP2

/'

DIAGRAMA NEUMÁTICO

CONTROLADOR PJ.O.

GENERAOOFI De RA,MPA

....

~.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN 24-V ce

DIAGRAMA DE CONEXiÓN

Figura 2-4. Control de rampa de un cilindro neumático.

D 23. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1, luego coloque el potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA en MÁX.

2-7


2-8

o 24. Mientras vigila la fuerza generada por el cilindro sobre el dispositivo de carga, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2. Seleccione alternadamente los potenciómetros 1 y 2 para observar la velocidad en la cual la fuerza generada por el cilindro aumenta.

¿Con el potenciómetro 1 del GENERADOR DE RAMPA colocado en MÁX., observa usted que la fuerza generada por el cilindro aumenta más lentamente debido a la acción del circuito de rampa?

OSí O No

o 25. En la Unidad de acondicionamiento, cierre las válvulas de clausura y gire completamente la perilla de ajuste del regulador en sentido antihorario.

O 26. Apague el Regulador PID y la Fuente de alimentación cc.


CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted aprendió cómo volver una rampa el voltaje de control aplicado a la Válvula con servocontrol del equipo didáctico. Sin el GENERADOR DE RAMPA, el voltaje de control cambia instantáneamente cuando usted cambia el PUNTO DE REFERENCIA. Con el GENERADOR DE RAMPA, el voltaje de control cambia gradualmente más o menos de manera rápida dependiendo del ajuste de los potenciómetros RAMPA.

En la segunda parte del ejercicio, usted utilizó el voltaje de control vuelto rampa para controlar la velocidad en la cual la fuerza generada por el cilindro se aplica a la carga.


1. ¿Por cué las válvulas de cO:1trol direccional convencionales encendido/apagado producen un movimiento brusco del actuador y la carga?


2. ¿Cómo se alcanza el corrimiento suave de una válvula?

3. ¿Qué sucede con la velocidad de aceleración y desaceleración de un actuador neumático cuando se aumenta la pendiente del voltaje de control aplicado a la válvula con servocontrol?

2-9

,~, ".

Ejercicio 3

Control de lazo abierto de la posición


• Introducir el control de lazo abierto; • Controlar la posición de una barra del cilindro en el modo de lazo abierto; • Describir el efecto que tiene un cambio de la carga en la posición de la barra.

PRINCIPIOS

Sistemas de control de la posición de lazo abierto

Un sistema de control de la posición de lazo abierto es un sistema en el cual se controla la posición de una barra del cilindro mediante un PUNTO DE REFERENCIA únicamente y no se tiene en cuenta la posición real de la barra.

La figura 3-1 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control de la posición de lazo abierto:

• El "PUNTO DE REFERENCIA" corresponde a la posición deseada de la barra. Éste se puede establecer manualmente por medio de un operador, o establecerse automáticamente;

• El "elemento de control" proporciona la potencia al cilindro para contrarrestar la carga y posicionar la barra a una distancia específica. En el caso de una servoválvula de tipo presión, la potencia está en forma de presión de aire;

• Las "perturbaciones" son condiciones cambiantes que causan que la posición de la barra del cilindro difiera del PUNTO DE REFERENCIA;

• La posición de la barra del cilindro es una función tanto de la presión de aire suministrada por la válvula como de las condiciones perturbadoras.

PERTURBACIONES

VARIACIONES DE LA CARGA

ELEMENTO DE CONTROL

PUNTO(~~s~~:6~ENCIA ...-------, PRESiÓN DE + DESEADA) VÁLVULA t--_AI_RE ___ --.¡

PRESiÓN DE AIRE

ACTUADOR

CILINDRO

Figura 3-1. Sistema de control de lazo abierto de la posición.

POSICiÓN

3-1


3-2

El PUNTO DE REFERENCIA se establece inicialmente de tal manera que la presión a la salida de la válvula mantenga la barra en cierta posición. La posición se mantendrá bajo perturbaciones constantes. Sin embargo, si las perturbaciones no son constantes, la posición de la barra del cilindro cambiará.

Debido a que el sistema está operando en condición de lazo abierto, éste no recibe realimentación para corregir los cambios de posición de la barra del cilindro. El operador tendrá que reajustar ~ontinuamente el PUNTO DE REFERENCIA para mantener la posición deseada del actuador, lo cual es una tarea que consume tiempo y puede arrojar resultados imprecisos.

Control de lazo abierto de la posición de la barra del cilindro

En aplicaciones donde la carga aplicada a un cilindro permanece casi constante, un sistema de control de lazo abierto de la posición proporcionará resultados satisfactorios y es una solución barata. Sin embargo, si la carga del cilindro varía de vez en cuando y la posición es de gran importancia, es muy probable que el sistema de control de lazo abierto de la posición sea inapropiado.

Medición de la posición de una barra del cilindro

Su equipo didáctico viene con un módulo de Acondicionadores de señal, modelo 6366, que se puede utilizar para adaptar una señal a los requerimientos de un circuito específico o un dispositivo. Como muestra la figura 3-2, el módulo comprende dos conversores de voltaje (E/E), que pueden amplificar o reducir el rango de voltaje de una señal, y también de un conversor de frecuencia a voltaje (flE) que genera un voltaje pro;Jorcional a la frecuencia de la señal.

Uno de los conversores de voltaje se puede utilizar en conjunto con el Transductor de posición, modelo 6395, para medir la posición de la barra del cilindro. El Transductor de posición es del tipo de cable retráctil, como muestra la figura 3-3. Éste consiste de un cable flexible enrollado alrededor de un carrete Gilíndrico. El carrete es acoplado al eje de un potenciómetro rotatorio. Un resorte de torsión interno mantiene la tensión en el cable y sirve como mecanismo de retracción.


ACONDICIONADORES DE SEÑAL

z s

(O (O <7

~

0 ~m o-s ',@

~O-10V

0-24', @ 1/7.l ¡ ... r@l 0-10V

S N

(O @ 1 VI 1000 r/min

[2J ¡m 2-33 Hz ~)

24Vru r@l o-10V

+(@') @------.-'

24V=

M:/IIfr"

Figura 3-2. Módulo Acondicionadores de señal del equipo didáctico.

El pin extremo del cable transductor se inserta en el agujero de la punta de la barra del cilindro, como muestra la figura 3-3. Un voltaje de 24 V cc se aplica a lo largo del elemento resistivo (terminales 2 y 3) del potenciómetro transductor para crear un voltaje divisor en la escobilla (terminal 1) del potenciómetro.

La operación del transductor es la siguiente: cuando la barra se mueve, el cable transductor se enrolla alrededor del carrete o se desenrolla de éste, el cual hace rotar el carrete del transductor y el eje del potenciómetro. El eje giratorio mueve la escobilla del potenciómetro a través del elemento resistivo, variando la resistencia y por tanto el voltaje visto en la terminal de la escobilla en relación con la fuente de alimentación común. Una variación de 0-24 V del voltaje de la escobilla corresponde a un trayecto completo de la barra. Así, todo voltaje de la escobilla dado corresponde a una posición específica de la barra.

El voltaje de la escobilla de 0-24 V se puede convertir en un voltaje estándar de 0-10 V para utilizarlo con el Regulador PID. Para hacer esto, el voltaje de la escobilla se debe aplicar a la entrada 0-24 V del conversor [0-24 V] E/E en el módulo Acondicionadores de señal.

3-3


3-4

.~;~,~ 24vt?J . LA ESCOBILLA I

I I I I

o POSICIóN DE d LA BARRA

BARRA DEL CILINDRO


G-

~V~E~I @ .. V ~~,,-__ E.r-. __ --1@o-1QV

PUNTA

1!IIt:fIMt'

TERMINAL DE LA ESCOBILLA

PCTENCIÓMETRO

~;~,:vtzJ . SALIDA DEL I

CONTROLADOR I

o

VOLTAJE DE LA

ESCOBIL

POSICIÓN DE d LAB.>.RRA

I

~

TERMINALES DEL ELEMENTO RESISTIVO (ALA FUENTE DE ALIMENTACIóN 24-VCC)

II4----jH- EJE

l----r----~~::::==i~~ CARRETE

CABLE

TRANSDUCTOR DE POSICK>N

Figura 3-3. Midiendo la posición de la barra del cilindro.


En la primera parte del ejercicio, Medición de la posición de la barra del cilindro del equipo didáctico, usted aprenderá a medir la posición de la barra del cilindro del equipo didáctico utilizando el Transductor de posición.


En la segunda parte del ejercicio, Control de lazo abierto de la posición de la barra del cilindro, usted realizará el control de lazo abierto de la posición de la barra y verá el efecto que tiene la variación de la carga sobre la posición de la barra del cilindro.

EQUIPO REQUERIDO


PROCEDIMIENTO

Medición de la posición de la barra del cilindro del equipo didáctico

o 1. Obtenga el Cilindro de doble acción del lugar de almacenamiento. Asegúrese que la barra del cilindro esté completamente retraída.

o 2. Atornille una punta del cilindro (tipo bala) en el extremo de la barra, luego fije el cilindro a la superficie de trabajo, como muestra la figura 3-4.

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

PUNTA DEL o CILINDRO

o o

o o

o

o o o

o

SALIDA DEL CABLE DEL TRANSDUCTOF'l

o

UE======rr~--' ~~~~==~TRANSDUCTORD~

I 01 o

I I

01

o o

I o 10

I I

o 10

I I I I

-: 20 cm (8 in) ~ I I

POSICiÓN

o

Figura 3-4. Posicionamiento del cilindro y posición del transductor en la superficie de trabajo.

o 3. Coloque el Transductor de posición a 20 cm (8 pulgadas) (4 filas de perforaciones) del extremo de la barra del cilindro, asegurándose de alinear la salida del cable transductor con el eje de movimiento de la barra del cilindro.

3-5


3-6

Hale el pin en el extremo del cable transductor para desenrollar el cable, luego inserte el pin en el agujero de la punta del cilindro, como muestra la figura 3-4.


VÁLVULA DE DESCOMPRESiÓN o REGULADOR DE PRESiÓN

RP2

VÁLVULA CON SERVOCON-ROL

DIAGRAMA NEUMÁ.TICO

PJ .D.

'o ~ ..() - i ..... G-

~ .p-~

FUENTE DE AUr.AENTAGIÓr~ DE 24-V CC

DIAGRAMA DE COloJEXlóN

MP2

/'

.",.. DETECTOR ce ERROR -()

~

Figura 3-5. Control de lazo abierto de la posición de la barra del cilindro.





o 7. En el Regulador PID, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 Y coloque el potenciómetro para obtener 0,0 V a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1.


Ajuste el regulador de presión principal para obtener 630 kPa (90 psi) en el manómetro de presión regulada.

Coloque el regulador de presión o válvula de descompresión RP2 para obtener 420 kPa (60 psi) en el manómetro de presión MP2.

o 9. Conecte un voltímetro cc a la terminal de escobilla (denominada 1) del Transductor de posición. Con la barra del cilindro retraída, el cable transductor está completamente desenrollado de tal manera que el voltaje en el terminal de la escobilla debe ser nulo (aproximadamente 0,0 V). ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

Nota: Si el voltaje de la escobilla es 24, O V en lugar de O, O V, simplemente intercambie los cables conectados a los terminales del elemento resistivo (denominados 2 y 3) del potenciómetro transductor.

O 10. Mientras vigila el voltaje de la escobilla, gire lentamente el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 en sentido horario y pare de girarlo tan pronto como la barra comience a extenderse. ¿Qué le sucede al voltaje de la escobilla cuando se extiende la barra? Explique.

3-7


3-8

o 11. Gire el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 en sentido horario hasta que la barra esté competamente extendida. ¿Cuál es el voltaje de la escobilla cuando la barra está completamente extendida?

o 12. Gire el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 antihorario hasta que la barra comience a retraerse. ¿Qué le sucede al voltaje de la escobilla cuando se retrae la barra?

o 13. Repita los pasos 10 a 12 pero esta vez, vigile el voltaje a la salida 0-10 V del conversor [0-24 V] E/E en el módulo Acondicionadores de señal. Registre sus observaciones.

Control de lazo abierto de la posición de la barra del cilindro

o 14. Coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para posicionar la barra del cilindro a mitad de recorrido. Mida el valor PUNTO DE REFERENCIA en la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1. Registre sus respuesta en la fila 420 kPa (60 psi) de la columna VALOR PUNTO DE REFERENCIA en la tabla 3-1.

CARGA VALOR PUNTO DE REFERENCIA

280 kPa (40 psi)

420 kPa (60 psi)

560 kPa (80 psi)

Tabla 3-1. Valores PUNTO DE REFERENCIA para diferentes valores de carga.


o 15. Simule una disminución de la carga colocando el regulador de presión o vVálvula de descompresión RP2 para obtener 280 kPa (40 psi) en el Manómetro MP2. ¿Qué le sucede a la barra del cilindro?

o 16. En el Regulador PI D, utilice el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para volver a posicionar la barra del cilindro a mitad de recorrido. Mida el valor PUNTO DE REFERENCIA a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1. Registre su respuesta en la fila 280 kPa (40 psi) de la columna VALOR PUNTO DE REFERENCIA en la tabla 3-1.

o 17. Simule un aumento de la carga colocando el regulador de presión o Válvula de descompresión RP2 para obtener 560 kPa (80 psi) en el Manómetro MP2. ¿Qué le sucede a la barra del cilindro?

o 18. En el Regulador PID, utilice el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para volver a posicionar la barra del cilindro a mitad de recorrido. Mida el valor PUNTO DE REFERENCIA a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1. Registre su respuesta en la fila 560 kPa (80 psi) VALOR PUNTO DE REFERENCIA en la tabla 3-1.

o 19. ¿Teniendo como base la información registrada en la tabla 3-1 , el sistema de control de la posición de lazo abierto es capaz de un control preciso cuando varía la carga del cilindro? Explique.

o 20. ¿Qué tipo de control utilizó cuando cambió el valor del PUNTO DE REFERENCIA para compensar la variación de la carga? Explique.

o 21. En la Unidad de acondicionamiento, cierre las válvulas de clausura y gire completamente en sentido antihorario la perilla de ajuste del regulador.

3-9


3-10

o 22. Apague el Regulador PID y la Fuente de alimentación ce.


CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted aprendió cómo detectar la posición de la barra de un cilindro utilizando un transductor de posición de cable retráctil y un conversor de voltaje.

En la segunda parte del ejercicio, usted controló la posición de la barra del cilindro utilizando un sistema de lazo abierto con el operador actuando como un lazo de realimentación. Ya que el sistema estaba en modo de lazo abierto, éste no recibió realimentación eléctrica para corregir la posición de la barra cuando la carga cambió.


1. ¿Cuál es la diferencia prinGipal entre un sistema de control de lazo abierto y uno de lazo cerrado?

2. ¿Cuáles son las desventajas de un sistema de control de la posición de lazo abierto?

3. Describa brevemente la operaci6n del Transductor de posición del equipo didáctico.


4. ¿Cuál es la función de los Acondicionadores de señal del equipo didáctico?

3-11

Ejercicio 4

Control de lazo cerrado, modo proporcional


• Describir el modo de control proporcional; • Describir las ventajas y desventajas del control proporcional; • Definir el error residual, ganancia proporcional, banda proporcional y

oscilación; • Describir cómo el método de reinicio manual se puede utilizar para eliminar el

error residual.

PRINCIPIOS

Control de lazo cerrado de la posición de la barra del cilindro

En el ejercicio anterior usted controló la posición de una barra del cilindro con un sistema de lazo abierto. La posición de la barra cambió cuando varió la carga debido a que el sistema estaba controlando la operación de la válvula y no la posición real de la barra del cilindro.

La adición de un controlador y un lazo de realimentación al sistema de control de la posición, reduce considerablemente las variaciones en la posición de la barra. Este tipo de sistema, denominado sistema de control de lazo cerrado se ilustra en la figura 4-1.

• El controlador compara el PUNTO DE REFERENCIA (posición deseada) con la posición medida y corrige cualquier diferencia entre las dos modificando el ajuste de la válvula hasta que el sistema alcance un estado de equilibrio.

• El lazo de realimentación contiene un transductor de posición que mide la posición real de la barra y genera una señal proporcional, la cual se envía de regreso al controlador.

Elementos esenciales de un controlador

Todo controlador contiene dos partes esenciales: el detector de error y la sección modo.

• El detector de error compara el PUNTO DE REFERENCIA con la posición medida y genera una señal de error igual a la diferencia entre las dos. Los errores ocurren cuando, por ejemplo, el operador cambia intencionalmente el PUNTO DE REFERENCIA o cuando cambia el actuador de la carga.

4-1


PUNTO DE REFERENCIA

(POSICiÓN DESEADA)

4-2

PERTURBACIONES

CONTROLADOR VARIACIONES DE LA CARGA

DETECTOR DE ERROR MODO

ELEWENTO DE CONTROL ACTUADOR

+

POSICiÓN

SALIDA DEL CONTROLADOR

V.ÁLVULA CILINDRO POSICiÓN

MEDIDA TRANSDUCTOR '---------------1 DE POSICiÓN ¡....--------LAZ-O-D-E-R-E-AL-IM-,-EN-T-A-C-IÓ-N----'

Figura 4-1. Control de lazo cerrado de la posición de la barra del cilindro.

• La sección modo realiza operaciones matemáticas que actúan sobre la señal de error. El tipo de operaciones realizadas depende del modo de control seleccionado. Los modos de control son el modo proporcional (P), el modo integral (1), el modo diferencial (D), o una combinación de éstos. La señal de salida resultante del controlador se aplica a la válvula con servocontrol para cambiar el ajuste de la válvula y por tanto la presión de aire del actuador.

Realimentaciones negativa y positiva

Dos tipos de realimentación son posibles en los sistemas de control de lazo cerrado: realimentación positiva y realimentación negativa.

• La realimentación positiva aumenta la diferencia entre el PUNTO DE REFERENCIA Y la posición medida, como muestra la figura 4-2 (a). La realimentación positiva puede causar oscilaciones violentas y sostenidas dentro del sistema. Por obvias rezones, la realimentación positiva no se emplea en el control de lazo cerrado.

• La realimentación negativa disminuye la diferencia entre el PUNTO DE REFERENCIA Y la variable medida (posición) y actúa para restaurar el equilibrio, como muestra la figura 4-2 (b).

Si, por ejemplo, la barra excede la poslclon demarcada por el PUNTO DE REFERENCIA, la realimentación negativa disminuirá el voltaje de control de la válvula y así la presión de aire del actuador, ayudando a recuperar la posición. Con la realimentación positiva, si1 embargo, la apertura de la válvula aumentaría empeorando la situación.


POSICiÓN

CONDICiÓN INICIAL

POSICiÓN

NO SE PUEDE ALCANZAR EL EQUILIBRIO

(a) Realimentación positiva

OSCILACiÓN

TIEMPO

CONDICiÓN INICIAL

SE ALCANZA ~--- EL EQUILIBRIO

TIEMPO

(b) Realimentación negativa

Figura 4-2. Realimentación positiva y negativa.

Implementación de la realimentación negativa

En el sistema de la figura 4-1, la realimentación negativa se implementa en la sección del detector de error del controlador. Esto implica que se aplica la señal de referencia a una entrada positiva (+) del detector de error y la señal del transductor de posición (realimentación) a la entrada negativa (- ) del mismo. De esta manera, la salida del detector de error es igual al valor PUNTO DE REFERENCIA menos la señal correspondiente de la posición medida, de tal manera que cuando la posición de la barra del cilindro cambia, también lo hará la salida del detector de error y por tanto del controlador (realimentación negativa).

Modo de control proporcional (P)

Como se mencionó anteriormente, el modo de operación del controlador determina el tipo de operaciones matemáticas realizadas en la señal de salida del detector de error con el fin de producir un cambio en el ajuste de la válvula.

4-3


4-4

El modo de control más simple es el modo proporcional (P). La figura 4-3 muestra el diagrama de un controlador operando en este modo:

• El detector de error compara la señal de realimentación con el PUNTO DE REFERENCIA Y genera una señal de error Ep igual a la diferencia entre las dos;

• El amplificador proporcional amplifica la señal de error por un factor Kp para generar la señal de salida del controlador.

PUNTO DE REFERENCIA (POSICIóN DESEADA)

CONTROLADOR PROPORCIONAL

DETECTOR DE ERROR SAliDA DEL

r-__ ER_R_O_R (_ER __ --.¡ Kp >-_E..::p_. K...!:p_-+CONTR __ OlADOR-.¡ ... (Co)

AMPLIFICADOR PROPORCIONAL

+

SEÑAl DE REALIMENTACIóN

(POSICiÓN MEDIDA)

Figura 4-3. Diagrama de un controlador operando en el modo proporcional (P).

La señal de salida del controlador es proporcional a la señal de error en todo momento, de ahí el nombre modo proporcional. Cuanto mayor sea el error, mayor será la salida del controlador. Esta relación se puede expresar matemáticamente:

donde Ca es la salida del controlador; Kp es la ganancia proporcional; Ep es el error.

La magnitud de la señal de salida del controlador está limitada por los niveles de saturación del amplificador proporcional. Si, por ejemplo, los niveles de saturación de este amplificador son + 13,0 Y -13,0 V, la señal de salida del controlador nunca excederá estos voltajes. Esto significa que una vez que la señal de salida del controlador ha alcanzado uno de los niveles de saturación, un aumento en la señal de error no producirá un aumento en la señal de salida del controlador.

Algunas veces es necesario limitar rr,ás allá de la excursión de la señal de salida del controlador con el fin de adaptar el rango del voltaje de entrada de la válvula. Esto se puede lograr utilizando un circuito LlMIT ADOR.

La figura 4-4, por ejemplo, muestra el circuito LlMITADOR del Regulador PID del equipo didáctico. Este circuito limita la señal de salida del controlador a los niveles establecidos por sus potenciómetros LÍMITES INFERIOR y LÍMITE SUPERIOR. El potenciómetro LÍMITE INFERIOR establece el nivel máximo oara voltajes


negativos del controlador; éste se puede ajustar entre O y alrededor de -13 V. El potenciómetro LíMITE SUPERIOR establece el nivel máximo para voltajes positivos del controlador; éste se puede ajustar entre O y alrededor de 13 V.


LlMITADOR

~ I I I

I I I I I

ZZ lÍMITE lÍMITE

INFERIOR SUPERIOR

SALIDA DEL LlMITADOR

Figura 4-4. Limitación de la excursión del voltaje de salida del controlador.

Ventajas y desventajas del modo de control proporcional

La ventaja principal del modo de control proporcional es la rapidez con la que el controlador responde al cambio en la señal de error para devolver el equilibrio al sistema. Por ejemplo, la figura 4-5 muestra qué ocurre en el modo de control proporcional cuando el PUNTO DE REFERENCIA se cambia repentinamente. Uno puede observar que el error aumenta considerablemente cuando el PUNTO DE REFERENCIA se cambia, pero el controlador reacciona inmediatamente para corregir este error. Ya que no hay demora en la respuesta del controlador, el error disminuye rápidamente hasta que el sistema alcanza un estado de equilibrio.

Como muestra la figura 4-5, una vez que el sistema ha alcanzado el estado de equilibrio, queda un error residual entre el PUNTO DE REFERENCIA Y la variable medida. Esto constituye la desventaja principal del modo de control proporcional. Reducir el error cero provocaría que la salida del controlador sea nula. Esto causaría que la señal de entrada de la válvula sea nula y, como consecuencia, la presión de salida también. Por lo tanto, se requiere de un error residual para mantener la salida del controlador en el valor deseado.

Cuanto mayor sea la ganancia proporcional Kp, menor será el error residual. Sin embargo, aumentar la ganancia también aumentará la tendencia del sistema hacia la inestabilidad. Es más, si la ganancia se vuelve muy alta el sistema comenzará a oscilar sin ser capaz de volver al estado de equilibrio. Por lo tanto, aumentar la ganancia no es la solución ideal para eliminar el error residual.

4-5


PUNTO DE REFERENCIA Y

VARIABLE MEDIDA

4-6

ERROR

SEÑAL DE SALIDA DEL


(+)

o

H

(+)

o

H

PUNTO DE REFERENCIA

~ __ ---.~_} ERROR RESIDUAL

EOUILEHIO

TIEMPO

TIEMPO

TIEMPO

Figura 4-5. Ejemplo típico de lo que ocurre en el modo de control proporcional cuando el PUNTO DE REFERENCIA se cambia repentinamente.

Reinicio manual

El reinicio manual consiste en eliminar el error residual para una condición de carga dada adicionando un voltaje de compensación (offset) a la señal de salida del controlador proporcional. Esto se ilustra en la figura 4-6. Para una condición de carga dada, el voltaje de compensación se ajusta manualmente hasta que la señal de realimentación iguale el PUNTO DE REFERENCIA. Debido a que el voltaje de compensación se ajusta manualmente, este método por lo general se conoce como reinicio manual

Con el reinicio manual, la ecuación de la salida del controlador proporcional se vuelve:

Co = Kp x Ep + compensación

La ventaja del reinicio manual es que elimina el error residual sin afectar la ganancia proporcional. Sin embargo, el error se elimina únicamente para una


condición de carga dada. Para otras condiciones de carga que requieren un ajuste diferente de la válvula, existirá un error residual para mantener la salida requerida del controlador. Por lo tanto, el reinicio manual se utiliza en sistemas donde la carga permanece casi constante.

PUNTO DE REFERENCIA

DETECTOR DE ERROR



+ ~ __ E_RR_O_R(~E~ __ ~~ Kp

PUNTO DE ADICiÓN

VOLTAJE DE COMPENSACiÓN

SEÑAL DE REALr.1ENTACIÓN

SALIDA DEL CONTROLADOR (CO)

Figura 4-6. El reinicio manual consiste en la adición de un voltaje de compensación a la señal de salida del controlador proporcional.

Banda proporcional

La banda proporcional es el rango sobre el cual debe cambiar la señal de error para hacer que varíe la señal de salida del controlador sobre todo su rango. La banda proporcional varía inversamente proporcional a la ganancia proporcional. En forma de ecuación:

P B = _1_ x 100 % Kp

donde PB es la banda proporcional ; Kp es la ganancia proporcional.

Cuanto mayor es la ganancia proporcional, menor o "más angosta" será la banda proporcional y por lo tanto menor es el error que se requiere para hacer que la señal de salida del controlador cambie sobre todo su rango.

Por ejemplo, la figura 4-7 muestra la relación del error versus la salida del controlador para dos ganancias diferentes, Kp1 y Kp2 , siendo Kp1 mayor que Kp2 •

Como muestra la figura, la banda más angosta corresponde a la ganancia más alta, Kp1 •

Usted notará en la figura 4-7 que cuando el error está dentro de la banda proporcional, la señal de salida del controlador es proporcional al error y la ganancia determina la relación de proporcionalidad. Sin embargo, si el error excede la banda proporcional, la señal de salida del controlador se satura en cualquiera de los límites INFERIOR o SUPERIOR, dependiendo de la polaridad del error.

4-7


4-8

LíMITE SUPERIOR

a: o el

:5 o a: 1-z 8 ..J W el « el :::¡

~

LíMITE INFERIOR

/~ SATURACiÓN EN EL LíVlITE SUPERIOR

\4---- GANANCIA K Pl

"<4--"r-- GANANCIA K P2

i~ i \~ / SATIJRAClóN HJEL lÍMITE INFERIOR

I I I

H

J o

l (+)

ERROR

BANDA ESTR=CHA (K p1 )

BANDA MÁS .ANCHA (K"2)

Figura 4-7. Relación del error versus la salida del controlador para dos ganancias diferentes.


En la primera parte del ejercicio, Familiarización con los componentes de un controlador proporcional, usted se familiarizará con los componentes y la operación de un controlador proporciona!.

En la segunda parte del ejercicio, Control proporcional de la posición de la barra del cilindro, usted estudiará el control de lazo cerrado de la posición de la barra del cilindro en el modo de control proporcional. Determinará el efecto que tiene aumentar la ganancia proporcional del controlador sobre el error residual. Luego utilizará el reinicio manual para eliminar el error residual.

EQUIPO REQUERIDO



PROCEDIMIENTO

Familiarización con los componentes de un controlador proporcional

D 1. Conecte el circuito como se muestra en la figura 4-8. En este sistema, un controlador proporcional consta del detector de error, el amplificador proporcional, el PUNTO DE ADICiÓN Y el LlMITADOR del Regulador PID.

Nota: No conecte esta vez la salida 0-10 V del conversor [0-24 V] ElE a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR. Esto se hará más adelante en el ejercicio.

D 2. Haga los siguientes ajustes en el Regulador PID:

Rango de la GANANCIA (P) PROPORCIONAL . . . . . . . . . .. BAJA GANANCIA (P) PROPORCIONAL .. ..... . ... .. . . ... ... . MíN. LÍMITE INFERIOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112 del MÁX. LÍMITE SUPERIOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112 del MÁX.

D 3. Encienda la Fuente de alimentación cc y el Controlador PID.

D 4. En el Regulador PID, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 Y coloque el potenciómetro para obtener 1,0 V en la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1.

D 5. En el Regulador PID, mida el voltaje de error cc a la salida del DETECTOR DE ERROR.

Con un voltaje PUNTO DE REFERENCIA de 1,0 V en la entrada positiva del DETECTOR DE ERROR Y sin voltaje de realimentación (0,0 V) en la entrada negativa, el voltaje de error debe estar alrededor de 1 ,0 V (PUNTO DE REFERENCIA menos voltaje de realimentación). ¿Ésta es su observación?

D Sí D No

4-9


4-10


1(0 ,,~J ~

. @M'

- - ® , -•• ~ Oli._·

. 1 .. 0)-

VÁLVULA DE DESCOMPRESiÓN O REGULADOR DE PRESiÓN

RP2

DIAGRAMA NEUMATICO

FUENTE DE AliMENTACiÓN DE 24-V CC


MP2

VÁLVULA CON SERVOCONTROL

Figura 4-8. Control proporcional (P) de la posición de la barra del cilindro.

o 6. En el Regulador PID, mida los voltajes cc a la entrada ya la salida del amplificador proporcional y determine la ganancia de voltaje del amplificador proporcional para este ajuste de ganancia. Registre sus resultado en la tabla 4-1 .


RANGO GANANCIA PRO- AJUSTE GANANCIA PRO-GANANCIA (MEDIDA)

PORCIONAL PORCIONAL

MíN. BAJA

MÁX.

MíN. ALTA

MÁX.

Tabla 4-1. Ganancias de voltaje del amplificador proporcional (P) para diferentes ajustes de ganancia.

o 7. Coloque el potenciómetro de la ganancia proporcional al MÁX. Determine la ganancia de voltaje del amplificador proporcional para este ajuste de ganancia. Registre su resultado en la tabla 4-1 .

o 8. Hale la perilla del potenciómetro ganancia proporcional para seleccionar el rango de ganancia ALTA Y luego coloque la ganancia proporcional en MíN.

Determine la ganancia de voltaje del amplificador proporcional para este ajuste de ganancia y registre su resultado en la tabla 4-1 .

o 9. Mientras observa el voltaje de salida del amplificador proporcional, aumente lentamente la ganancia proporcional en MÁX.

Observe que más allá de cierta ganancia, el voltaje deja de aumentar porque ha alcanzado los niveles positivos de saturación del amplificador proporcional (alrededor de 13,5 V). ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

o 10. Utilizando el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1, disminuya el voltaje de entrada del amplificador proporcional a 0,2 V. Luego determine la ganancia de voltaje del amplificador proporcional con la ganancia proporcional colocada en el MÁX. Registre su resultado en la tabla 4-1.

Cuando haya terminado, deje el rango de la ganancia proporcional en ALTA Y la ganancia proporcional en MÁX.

o 11. En el Regulador PID, mida el voltaje cc a la salida del PUNTO DE ADICiÓN. Este voltaje debe ser aproximadamente igual al vOltaje de salida del amplificador proporcional. ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

4-11


4-12

D 12. En el Regulador PID, mida los voltajes ce a la entrada y a la salida del LlMITADOR. Observe que el voltaje de salida es menor que el voltaje de entrada debido a la acción limitadora del LlMITADOR.

D 13. Mientras vigila el voltaje de salida del LlMITADOR, gire lentamente en sentido horario la perilla del potenciómetro LÍMITE SUPERIOR. ¿Qué sucede con el voltaje? Explique.

D 14. Coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener -0,2 V a la entrada del amplificador proporcional.

Un voltaje negativo de aproximadamente -10,0 V debe estar presente ahora en la entrada del LlMITADOR.

D 15. Mientras vigila el voltaje de salida del LlMITADOR. gire lentamente en sentido horario la perilla del potenciómetro LÍMITE INFERIOR. ¿Qué sucede con el voltaje? ¿Por qué?

Control proporcional de la posición de la barra del cilindro

Ajustes preliminares

o 16. Coloque el rango de la ganancia proporcional en BAJA y la ganancia proporcional en MíN.

D 17. En el Regulador PID, coloque los LÍMITES INFERIOR Y SUPERIOR de la siguiente manera:

Coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 10,0 V Y 0,0 V, respectivamente a las salidas PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2. Luego seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1;

Coloque el potenciómetro LÍMITE INFERIOR en MíN. Esto establece el LÍMITE INFER OR en 0,0 V;


Aumente la ganancia proporcional hasta que el voltaje de entrada del LlMITADOR alcance alrededor de 12,0 V;

Coloque el potenciómetro LÍMITE SUPERIOR para obtener 10,0 V a la salida del LlMITADOR.

o 18. En el Regulador PID, coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 Y la ganancia proporcional de la siguiente manera:

Coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 5,0 V a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1;

Coloque la ganancia proporcional para obtener 5,0 V a la entrada del LlMITADOR.



Ajuste el regulador de presión principal para obtener 630 kPa (90 psi) en el manómetro de presión regulada.

Coloque el regulador de presión RP2 para obtener 420 kPa (60 psi) en el manómetro de MP2.

o 21. Coloque el sistema en el modo de lazo cerrado. Para hacer esto, conecte un cable entre la salida 0-10 V del conversor [0-24 V] E/E Y la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR.

o 22. Gire muy lentamente en sentido horario la perilla del potenciómetro ganancia proporcional hasta que la barra del cilindro se extienda más o menos 2,5 cm (1 pulgada).

o 23. Mida y registre el voltaje de realimentación generado por el conversor [0-24 V] E/E a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR. Este voltaje es directamente proporcional a la posición de la barra.

Voltaje de realimentación: V

4-13


4-14

o 24. Mida el voltaje a la salida del DETECTOR DE ERROR. =ste voltaje corresponde al error (diferencia) entre el voltaje PUNTO DE REFERENCIA de 5,0 V Y el voltaje de realimentación. ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

o 25. Mientras observa el voltaje de salida del DETECTOR DE ERROR, gire muy lentamente el potenciómetro de la ganancia proporcional en sentido horario.

Usted debe observar que la ganancia proporcional aumenta, la barra del cilindro se extiende y, como consecuencia, el voltaje de error disminuye a la salida del DETECTOR DE ERROR.

Trate de reducir el voltaje de salida del DETECTOR DE ERROR a 0,0 V aumentando la ganancia proporcional. Usted debe observar que más allá de cierta ganancia, el sistema se vuelve inestable y comienza a oscilar debido a que la ganancia es excesiva. Registre sus observaciones.

Reinicio manual

o 26. Devuelva el equilibrio al sistema disminuyendo la ganancia proporcional. Mida y registre el voltaje de error para este ajuste de la ganancia proporcional.

Voltaje de error: V

o 27. Conecte la salida del PUNTO DE REFERENCIA 2 a la entrada positiva del PUNTO DE ADICiÓN.

o 28. Gire lentamente en sentido horario la perilla del potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 hasta que el voltaje de salida del DETECTOR DE ERROR se vuelva nulo.

Nota: Reduzca la ganancia proporcional si el sistema se "velve inestable y comienza a oscilar.

o 29. Mida el voltaje presente a la salida PUNTO DE REFERENCIA 2. Éste es el voltaje de compensación necesario para eliminar el error a la salida del controlador.

Compensación: V


D 30. Simule un aumento de la carga ajustando la Válvula de descompresión RP2 para obtener 560 kPa (80 psi) en el manómetro MP2.

D 31. ¿El voltaje de error a la salida del DETECTOR DE ERROR todavía es nulo? ¿Por qué?

D 32. Sus observaciones confirman que el método de reIniCIO manual es apropiado para eliminar el error en sistemas donde varía la carga?

D Sí D No

D 33. En la Unidad de acondicionamiento, cierre las válvulas de clausura y gire la perilla de ajuste del regulador completamente en sentido antihorario.

D 34. Apague el Regulador PID y la Fuente de alimentación cc.

D 35. Desconecte y guarde todos los cables y componentes.

CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted estudió el control de lazo cerrado de la posición de la barra del cilindro con el tipo más simple de modo de control: el modo proporcional. En este modo, la salida del controlador es igual a la ganancia proporcional multiplicada por el error. Usted vio que la ganancia proporcional es inversamente proporcional a la banda proporcional.

La salida del controlador es, en todo momento, proporcional al error siempre y cuando el error permanezca dentro de la banda proporcional. Sin embargo, si el error excede la banda proporcional, la salida del controlador se saturará.

La desventaja principal del modo de control proporcional es que un error residual permanece entre el PUNTO DE REFERENCIA Y la variable medida en el equilibrio. Aumentar la ganancia del controlador reduce el error residual, pero también aumenta la tendencia del sistema hacia la inestabilidad. Un método denominado reinicio manual permite eliminar el error residual al adicionar un voltaje de compensación a la salida del controlador. Sin embargo este método funciona únicamente para una condición de carga dada.

4-15


4-16


1. ¿Cuál es la diferencia entre la realimentación positiva y negativa?

2. ¿Qué función tiene el detector de error en un controlador?

3. Describa brevemente la operación de un controlador en el modo proporcional.

4. ¿Cuál es la desventaja principal del modo de control proporcional?

5. ¿Qué significa reinicio manual?

6. ¿Cuál es la desventaja del reinicio manual?

7. Para aumentar la estabilidad de la respuesta de un sistema a un cambio en la señal de error, ¿aumentaría o disminuiría usted la ganancia proporcional?

Ejercicio 5

Control de lazo cerrado, modo proporcional más integral


• Describir el modo de control integral; • Definir los términos ganancia integral y sobreelongación; • Describir las ventajas y desventajas del control integral; • Describir el modo de control proporcional más integral.

PRINCIPIOS

El modo de control integral (1)

Mientras el modo de control proporcional considera el valor "presente" del error del proceso, el modo de control integral (1) considera la "historia pasada" del error al integrarlo continuamente hasta que sea eliminado. Así, el modo de control integral reduce automáticamente el error residual a cero para cualquier cambio de la carga dentro de las limitaciones del diseño del sistema, y por lo tanto elimina la necesidad del reinicio manual que está asociado con el modo de control proporcional.

La figura 5-1 muestra el diagrama simplificado de un controlador operando en el modo integral:

• El "detector de error" compara la posición medida con el PUNTO DE REFERENCIA Y genera una señal de error igual a la diferencia entre las dos;

• El "amplificador integral", integra el error para generar la señal de salida del controlador.

5-1


5-2

CONTROL~DORINTEGRAL

AMPUFICADOR PUNTO DE DETECTOR INTEG"IAL

REFERENCIA DE ERROR

~ (POSICiÓN KIJ.: Ep dI + Co (lo)

SALIDA DEL DESEADA) + ERROR(EP) CONTROLAOOR (C

- ty o)

SEÑAL DE REALIMENTACIóN

(POSICiÓN MEDIDA)

Figura 5-1. Diagrama simplificado de un controlador operando en el modo integral (1).

La salida del controlador en un tiempo específico, está dada por: I

Co (t) = KI J Ep dt + Co (10)

lo

donde Co (t) es la salida del controlador en un tiempo específico; I<t es la ganancia i:1tegral; Ep es el error en un tiempo específico;

Co (lo) es la salida del controlador al inicio del tiempo de observación (t = O).

La señal de salida del controlador es en todo momento proporcional a la integral en función del tiempo, de allí el nombre modo integral.

La figura 5-2 muestra un ejemplo de lo que le ocurre a la señal a la salida de un controlador integral cuando el error es positivo, negativo y nulo. El controlador está en modo de lazo abierto. Como puede ver, cuando el error es positivo, la salida del controlador aumenta. Cuando el error es negativo, la salida del controlador disminuye. Si el error es nulo, la salida del controlador permanece en el mismo nivel.


(+)

VOLTAJE

o

(-)

(+)

VOLTAJE

o

(-)

POSITIVO ERROR

NULO

J NEGATIVO

SALIDA DEL

CONTROLADOR

TIEMPO

TIEMPO

Figura 5-2. Señal de salida del controlador con errores positivo, negativo y nulo.

Ganancia integral

La figura 5-3 muestra la señal de salida de un controlador integral para diferentes ajustes de ganancia integral cuando el error cambia repentinamente. El controlador está en modo de lazo abierto. La acción integral causa que la señal de error se transforme en una señal que cambia gradualmente a la salida del controlador. Cuanto mayor sea la ganancia integral K

" mayor es la velocidad de cambio de la

salida del controlador.

La ganancia integral se expresa en número de repeticiones por minuto (rpt/min). Esto corresponde al número de veces que la magnitud del error se duplica a la salida del controlador en un período de 1 minuto:

• Con una ganancia de 5 rpt/min, la magnitud del error de 1,0 V se duplica 5 veces en 1 mino Esto significa que la salida del controlador será 5,0 V después de 1 min (ver figura 5-3);

• Con una ganancia de 10 rpt/min, la magnitud del error de 1,0 V se duplica 10 veces en 1 mino Esto significa que la salida del controlador será 10,0 V después de 1 mino

• Con una ganancia de 50 rpt/min, la magnitud del error de 1,0 V se duplica 50 veces en 1 mino Esto significa que la salida del controlador será 10,0 V después de 0,2 mino

5-3


5-4

VOLTAJE (V) SALIDA DEL CONTROLADOR SALIDA CEL CONTROLADOR K · = 10 rpt'min

SALIDA DEL CONTROLADOR K I = 5 rptlmin

10

9

8

7

6

5

4

3

2

K I = 50 rpt/min

/1

/~ ERROR

o~~--~------------------~----------------------+-----~

0.2 2 TIEMPO (min)

Figura 5-3. La señal de salida de un controlador integral en el modo de lazo abierto cuando el error cambia repentinamente.

Ahora suponga que el controlador integral se coloca en el "modo de lazo cerrado" con el fin de controlar un proceso. La figura 5-4 muestra el efecto que tiene aumentar la ganancia integral sobre la respuesta de la variable controlada a un cambio repentino en el PUNTO DE REFERENCIA. Cuanto mayor es la ganancia integral, más corto será el tiempo que se necesita para eliminar el error.

• Con una ganancia integral baja como la forma de onda (a) , la variable controlada vuelve al nuevo PUNTO DE REFERENCIA de manera lenta pero sin sobreelongaciones. La respuesta del sistema se dice que es "amortiguada". Una respuesta amortiguada puede desearse en algunas aplicaciones.

• Aumentar la ganancia integral como en la forma de onda (b) reduce el tiempo necesario para eliminar el error, pero podría también causar una sobreelongación de la variable controlada al nuevo PUNTO DE REFERENCIA antes que ésta se estabilice. Sin embargo, pequeñas sobreelongaciones por lo general son toleradas en la mayoría de las aplicaciones.

• Continuar aumentando la ganancia integral tiene como resultado sobreelongaciones más altas, como la forma de la onda (c). Peor aún, el tiempo necesario para eliminar el error en lugar de disminuir en realidad se alarga, debido a que la variable controlada realiza un número de oscilaciones alrededor del PUNTO DE REFERENCIA antes de que ésta se estabilice.

• A ganancia integrales muy altas, el sistema podría aun comenzar a oscilar siendo incapaz de volver al estado de equilibrio como la forma de onda (d).

PUNTO DE REFERENCIA

VARIABLE MEDIDA


(b) CORRECTO

SOBREELONGACIÓN I \

K I = 30 rpVmin K I = 45 rpVmin K I = 60 rpVmin K I = 75 rpVmin

I :(c) SUBAMORTIGUADO (d) OSCILATORIO I I I I I I I I I

K 1= 150 rpVmin K I = 300 rpVmin

Figura 5-4. Efecto de aumentar la ganancia integral sobre la respuesta escalón de una variable controlada.

La habilidad de establecer un error cero es una característica única del modo de control integral y no se encuentra en ningún otro modo. Sin embargo, el modo integral por lo general no se utiliza solo debido a su respuesta relativamente lenta a ganancias integrales bajas y debido a las sobreelongaciones y el aumento de los riesgos de una oscilación a ganancias integrales más altas. En su lugar, el modo integral se combina con el modo proporcional para formar el modo de control "proporcional más integral"

Modo de control proporcional más integral (PI)

El modo de control proporcional más integral combina la respuesta transitoria rápida del control proporcional con la característica del control integral de error residual cero. Éste mira el valor corriente del error y la integral del error sobre un intervalo de tiempo reciente para determinar qué corrección aplicar y por cuánto tiempo.

La figura 5-5 muestra el diagrama simplificado de un controlador operando en el modo proporcional más integral. El error generado por el detector de error se amplifica primero por un factor Kp por medio del amplificador proporcional. El error amplificado proporcionalmente (Ep'Kp) luego se integra en el tiempo mediante el amplificador integral. Finalmente las señales de salida de los amplificadores proporcional e integral se suman en el punto de adición para generar la señal de salida del controlador.

TIEMPO

5-5


PUNTO DE REFERENCIA

(POSICiÓN DESEADA)

DETECTOR DE ERROR

+ ERROR(EFI

CONTROLADOR PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL


PUNTO DE ADICiÓN

SALIDA DEL CONTROLAOOR (Co)

---+--+-1 Ep· Kp + Kp· Klf.: Epdt + Co (to)

5-6

SEÑAL DE REALIMENTACiÓN

(POSICiÓN MEDIDA)

AMPLIFICADOR INTEGRAL

Figura 5-5. Diagrama simplificado de un controlador operando en el modo proporcional más integral (PI).

La salida del controlador en ur. tiempo específico está dada por: t

Ce (t) = Ep x Kp + Kp x KI f Ep dt + Ce (to)

lo

donde Co (t) es la salida del Gontrolador en un tiempo específico; Ep es el error en un tiempo específico; Kp es la ganancia proporcional; KI es la ganancia integral;

Ca (t~ es la salida del controlador al inicio del tiempo de observación (t = O).

En esta ecuación, el término lOE", x KplO describe la acclon proporcional del controlador, mientras que el resto de la ecuación describe la acción integral del mismo, que se inicia en el tiempo t = o. Así, la salida del controlador no solamente es proporcional al error, sino que también lo es a su integral en función del tiempo.

La figura 5-6 muestra qué sucede en un sistema de control proporcional más integral cuando el error cambia de pronto, debido al aumento repentino del PUNTO DE REFERENCIA o a la carga del actuador. La acción proporcional responde rápidamente al cambio repentino en el error, mientras que la acción integral integra el error hasta que éste se vuelve nulo. Cuanto mayores sean las ganancias integral y proporcional, más rápido se eliminará el error. Sin embargo, estas ganancias se deben mantener lo suficientemente bajas para evitar sobreelongaciones excesivas y asegurar la estabilidad del sistema.


(+)

VOLTAJE

H

(+)

VOLTAJE

(-)

SALIDA DEL

CONTROLAeOR (Ce ) ACCiÓN

__ ~ __ ......... .L.._~""'~,....:::::::::;;;;::o.. ... IN_T_E_G_RA_L_/ VALOR FINAL DE Ce

TIEMPO

Figura 5-6. Ejemplo de lo que sucede en un sistema de control proporcional más integral cuando el error cambia repentinamente.

Un problema relacionado con la utilización del control integral es la "saturación de la acción integral". Esta saturación ocurre cuando el error permanece grande durante un intervalo de tiempo largo haciendo que la salida del controlador aumente a su límite de saturación superior (error positivo) o disminuya a su límite de saturación inferior (error negativo). Después de todo, el controlador no puede volver a su operación normal hasta que el error invierta la polaridad, resultando en altas sobreelongaciones de la variable controlada. Por esta razón, los controladores por lo general tienen una función de "integración anti reinicio" que interrumpe la acción integral tan pronto como la salida del controlador alcanza el límite de saturación superior o inferior minimizando así las sobreelongaciones de la posición del actuador.

Comparación de los modos de control proporcional, integral y proporcional más int~gral

La figura 5-7 muestra un ejemplo de una respuesta de un proceso típico a un cambio repentino del PUNTO DE REFERENCIA en los modos de control proporcional, integral y proporcional más integral:

• El modo proporcional reacciona más rápidamente que el integral. Sin embargo, el modo proporcional produce un error residual entre la posición real de la barra y el nuevo PUNTO DE REFERENCIA;

5-7


5-8

• El modo integral elimina el error residual, pero éste reacciona más lentamente que el modo proporcional y requiere mayor tiempo para alcanzar el valor final;

• El modo proporcional más integral reacciona mucho más rápidamente que el modo integral y éste elimina el error residual del modo proporcional. Sin embargo, la adición de la acción integral a la acción proporcional aumenta las sobreelongaciones y el tierT'4>o de estabilización.

VOLTAJE r PFOPORCIONAL MÁS INTEGRAL

PUNTO DE

REFERENCIA"",_ --~+-=~--T~"'--------PUNTO DE '\. ,

REFERENCIA Y : POSICiÓN I

MEDIDA F======lr "'- PROPORCIONAL INTEGRAL

TIEMPO

Figura 5-7. Respuesta a un cambio repentino del PUNTO DE REFERENCIA en los modos de control proporcional, integral y proporcional más integral.


En la primera parte del ejercicio, Familiarización con el controlador proporcional más integral (PI), usted se familiarizará con los componentes y la operación de un controlador proporcional más integral.

En la segunda parte, Control proporcional más integral (PI) de la posición de la barra del cilindro, usted estudiará el control proporcional más integral de la posición de la barra del cilindro. Observará el efecto que tiene aumentar las ganancias integral y proporcional sobre la respJesta de la posición de la barra (voltaje de realimentación) cuando el PUNTO DE REFERENCIA cambia repentinamente.

EQUIPO REQUERIDO

Consulte la tabla de utilización del eqlipo en el apéndice A del manual para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.


PROCEDIMIENTO

Familiarización con el controlador proporcional más integral (PI)

o 1. Conecte el circuito como se muestra en la Figura 5-8. En este sistema, un controlador PI consta del DETECTOR DE ERROR, los amplificadores proporcional e integral, el PUNTO DE ADICiÓN Y el LlMITADOR del Regulador PID.

Nota: No conecte esta vez la salida 0-10 V del conversor [0-24 V] ElE a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR. Esto se hará más adelante en el ejercicio.

o 2. Haga los siguientes ajustes en el Regulador PID:

Rango de la ganancia proporcional [P] . . . . . . . . . . . . . . . . .. BAJA Ganancia proporcional [P] . . .... .. . ... .. ... .. ..... .. . . MíN. INTEGRAL [1] Ganancia . . ... .. .. . . ... . .... . ..... .... MíN. INTEGRADOR ANTI REINICIO ........ . ... . .. ... .. . ..... O LíMITE INFERIOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Y2 del MÁX. LíMITE SUPERIOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112 del MÁX.


o 4. En el Regulador PID, coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 0,25 V Y - 0,25 V, respectivamente, a la salida PUNTO DE REFERENCIA 1. Luego seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1.

o 5. En el Regulador PI D, coloque la ganancia proporcional para obtener 0,25 V a la salida del amplificador proporcional. Esto colocará la ganancia del amplificador proporcional en cerca de 1 y aplicará un voltaje positivo de 0,25 V a la entrada del amplificador integral.

o 6. Vigile el voltaje cc a la salida del amplificador integral. Usted debe observar que el voltaje aumenta lentamente debido a que voltaje a la entrada del amplificador integral es positivo.

También debe observar que el voltaje para de aumentar cuando éste alcanza el nivel de saturación positivo del amplif icador integral (cerca de 14 V). ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

5-9


5-10


REGULADOR DE PRESiÓN O VÁLVULA DE DESCOMPRESiÓN

RP2

DIAGRAMA NEUMÁTICO

FUENTE DE ALlMENTACÓN 24-V CC


MP2

~.


Figura 5-8. Control proporcional más integral (PI) de la posición de la barra del cilindro.


o 7. Coloque el interruptor del INTEGRADOR ANTI REINICIO en 1. ¿El voltaje de salida del amplificador integral es todavía 14,0 V o está ahora limitado por el ajuste del potenciómetro LÍMITE SUPERIOR de aproximadamente 7V?

o 8. Ajuste el potenciómetro LÍMITE SUPERIOR para obtener un voltaje estable de 10,0 V a la salida del amplificador integral. Esto coloca el LÍMITE SUPERIOR en 10,0 V.

o 9. Coloque el interruptor del INTEGRADOR ANTI REINICIO en O.

o 10. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2. Esto aplicará un voltaje negativo de cerca de -0,25 V a la entrada del amplificador integral.

o 11. Vigile el voltaje cc a la salida del amplificador integral. Usted debe observar que el voltaje disminuye lentamente debido a que el voltaje a la entrada del amplificador integral es negativo.

También debe observar que el voltaje para de disminuir cuando éste alcanza el nivel de saturación negativo del amplificador integral (cerca de -14 V). ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

o 12. Coloque el interruptor del INTEGRADOR ANTI REINICIO en I.¿EI voltaje de salida del amplificador integral es todavía - 14,0 V o está ahora limitado por el ajuste del potenciómetro LÍMITE INFERIOR de aproximadamente -7V?

o 13. Coloque el potenciómetro LÍMITE INFERIOR en MíN. Esto establece el LÍMITE INFERIOR en 0,0 V.

o 14. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 Y coloque el potenciómetro para obtener un voltaje nulo (0,0 V) a la entrada del amplificador integral.

5-11


5-12

Ahora vigile el voltaje a la salida del amplificador integral. Este voltaje debe tener un valor constante (o aumentar muy lentamente) a algún valor intermedio. Esto muestra que el vOltaje de salida de un amplificador integral es constante cuando el voltaje de entrada es nulo. ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

o 15. Coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 1,0 V a la entrada del amplificador integral.

o 16. Ahora observe el efecto que tiene aumentar la ganancia integral sobre la velocidad de variación del voltaje de salida del amplificador integral.

Con el voltímetro cc conectado a la salida del amplificador integral, coloque el potenciómetro ganancia integral a Y2 del MÁX., luego a % del MÁX. y por último al MÁX. Para cada ajuste, seleccione alternadamente los potenciómetros PUNTO DE REFERE'\ICIA 1 Y 2.

Usted debe observar que la velocidad de variación del voltaje de salida del amplificador integral aumenta cuando lo hace la ganancia integral. ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

o 17. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 Y coloque la ganancia integral al M.ÁX.

o 18. Mida los voltajes de salida de los amplificadores proporcional e integral. Estos voltajes deben ser alrededor de 1 V Y 10 V, respectivamente.

Ahora mida el voltaje en la salida del PUNTO DE ADICiÓN. {,Este voltaje es alrededor de 11 V? Explique.

o 19. Mida el voltaje a la salida del LlMIT ADOR. Este voltaje debe estar limitado por el ajuste actual del potenciómetro LíMITE SUPERIOR de 10,0 V. ¿ Ésta es su observación?

o Sí O No


Control proporcional más integral (PI) de la posición de la barra del cilindro

o 20. En el Regulador PID, coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2, la ganancia proporcional y la ganancia integral de la siguiente manera:

Coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 0,0 V Y 5,0 V respectivamente, a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1;

Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 Y coloque la ganancia proporcional para obtener 5,0 V a la salida del amplificador proporcional;

Coloque la ganancia integral en Y2 del MÁX.


D 22. En la Unidad de acondicionamiento, abra la válvula de clausura principal y la válvula de clausura de la ramificación requerida en el colector.

Ajuste el regulador de presión para obtener 630 kPa (90 psi) en el manómetro de presión regulada.

Coloque el regulador de presión o válvula de descompresión RP2 para obtener 420 kPa (60 psi) en el manómetro de presión MP2.

D 23. Coloque el sistema en el modo de lazo cerrado. Para hacer esto, conecte un cable entre la salida 0-10 V del conversor [0-24 V] E/E Y la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR.

o 24. Mida el voltaje a la salida del DETECTOR DE ERROR. ¿Es nulo el voltaje, indicando que la posición de la barra del cilindro corresponde a la posición demarcada por el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2? Explique.

5-13


5-14

o 25. Simule un aumento en la carga del cilindro ajustando la Válvula de descompresión RP2 para obtener 560 kPa (80 psi) en el manómetro MP2. ¿Se elimina automáticamente el error a la salida del DETECTOR DE ERROR?

o Sí O No

o 26. Simule una disminución en la carga del cilindro ajustando la Válvula de descompresión RP2 para obtener 280 kPa (40 psi) en el manómetro MP2. Todavía es nulo el voltaje de error a la salida del DETECTOR DE ERROR?

o Sí O No

o 27. ¿Sus observaciones confirman que el control proporcional más integral es apropiado para eliminar el error en sistemas donde varía la carga?

o Sí O No

Efecto de un aumento en la ganancia integral sobre la respuesta a una variación repentina de la posición de la barra

o 28. Conecte el voltímetro cc a la entrada de realimentación (-) del DETECTOR DE ERROR.

o 29. Coloque la ganancia integral en MíN. y seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1.

Seleccione PUNTO DE REFERENCIA 2 Y con un cronómetro de mano, mida el tiempo que toma para que el voltaje de realimentación se estabilice en el PUNTO DE REFERENCIA de 5 V. Registre su resultado en la fila correspondiente de la columna Tiempo de estabilización del voltaje de realimentación en la tabla 5-1 .

También registre cuando el voltaje de realimentación presenta sobreelongaciones que superan el PUNTO DE REFERENCIA antes de estabilizarse.


AJUSTE DE LA GANANCIA TIEMPO DE ESTABILI-¿PRESENTA SOBREEL

INTEGRAL DEL ZACIÓN DEL VOLTAJE ONGACIÓN SOBRE EL PUNTO

POTENCiÓMETRO DE REALIMENTACiÓN DE REFERENCIA DE 5 V ANTES

DE LA ESTABILIZACiÓN?

MíN.

% del MÁX.

% del MÁX.

MÁX.

Tabla 5-1. Respuesta del voltaje de realimentación para diferentes ajustes de la ganancia integral.

D 30. Repita el paso anterior para los otros ajustes de la ganancia integral listados en la tabla 5-1 y registre sus resultados.

D 31. Teniendo como base la información registrada en la tabla 5-1, ¿qué efecto tiene aumentar la ganancia integral sobre el tiempo de estabilización y las sobreelongaciones del voltaje de realimentación? Explique.

D 32. Continúe experimentando con el control proporcional más integral.

Coloque la ganancia integral en V2 del MÁX. Varíe el ajuste de la ganancia proporcional desde el MíN. al MÁX. por incrementos de 14 de giro.

Para cada ajuste, mida el tiempo que tarda el voltaje de realimentación para que se estabilice en el PUNTO DE REFERENCIA de 5 V. También, observe si el voltaje de realimentación presenta sobreelongaciones en el PUNTO DE REFERENCIA antes que se estabilice.

D 33. Teniendo como base sus observaciones, ¿qué efecto tiene aumentar la ganancia proporcional sobre el tiempo de estabilización y las sobreelongaciones del voltaje de realimentación? Explique.

D 34. Continúe experimentando con el control integral. Retire el amplificador proporcional del circuito removiendo los dos cables que están conectados a sus terminales.

5-15


5-16

Conecte la salida del DETECTOR DE ERROR a la entrada del amplificador integral y coloque la ganancia integral en 112 del MÁX.

Seleccione alternadamente los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 Y observe la respuesta de la barra del cilindro antes que se estabilice en la posición demarcada por el PUNTO DE REFERENCIA de 5 V.

D 35. ¿Sus observaciones confirman la respuesta teórica mostrada en la figura 5-7?

D Sí D No

D 36. Mida el voltaje a la salida del DETECTOR DE ERROR. ¿El voltaje es nulo, indicando que la posición de la barra del cilindro corresponde a la posición demarcada por el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2?

DSí D No

D 37. En la Unidad de acondicionamiento, cierre las válvulas de clausura y gire la perilla de ajuste del regulador completamente en sentido antihorario.

D 38. Apague el Regulador PID y la Fuente de alimentación cc.

D 39. Desconecte y guarde todos los cables y componentes.

CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted estudió el control proporcional más integral de la posición de la barra del cilindro. Vio que a diferencia del control proporcional, el control proporcional más integral elimina automáticamente el error entre el PUNTO DE REFERENCIA Y el voltaje de realimentación (posición medida) debido a la acción integral del controlador.

Usted observó el efecto que tiene aumentar la ganancia integral y la ganancia proporcional sobre la respuesta de la posición de la barra (voltaje de realimentación) a un cambio repentino en el PUNTO DE REFERENCIA. Vio que cuando la ganancia integral o la proporcional aumenta, el tiempo de estabilización disminuye. Con ganancias integral o proporcional excesivas, el sistema podría comenzar a oscilar siendo incapaz de volver al equilibrio.



1. ¿Qué significa "ganancia integral"?

2. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas del control integral?

3. Describa brevemente la operación de un controlador en el modo de control proporcional más integral.

4. ¿Qué efecto tiene aumentar la ganancia integral sobre el control proporcional más integral de la posición?

5. ¿Cuál es el propósito de la función integración anti reinicio?

5-17

Ejercicio 6

Control de lazo abierto de la velocidad


• Entender qué es el control de lazo abierto de la velocidad; • Aprender cómo medir la velocidad del Motor bidireccional del equipo didáctico; • Controlar la velocidad del Motor bidireccional del equipo didáctico en el modo de

lazo abierto; • Describir el efecto que tiene una variación de la carga sobre la velocidad del

motor en el modo de lazo abierto.

PRINCIPIOS

Sistemas de control de lazo abierto de la velocidad

Un sistema de control de lazo abierto de la velocidad es un sistema en el cual la velocidad del actuador es controlada únicamente por un PUNTO DE REFERENCIA Y la velocidad real del actuador no se tiene en cuenta.

La figura 6-1 muestra el diagrama de bloques de un sistema de control de lazo abierto de la velocidad utilizando una válvula de tipo flujo:

• El "PUNTO DE REFERENCIA" corresponde a la velocidad deseada del actuador;

• La "válvula" provee el flujo de aire al actuador para llevar su velocidad al PUNTO DE REFERENCIA;

• Las "Perturbaciones" son condiciones variables que causan que la velocidad del actuador difiera del PUNTO DE REFERENCIA;

• La "velocidad del actuador" es una función del caudal permitido por la válvula y las perturbaciónes.

6-1


6-2

PEFTURBAClONES

CAM610 EN LA CARGA

CAMBIO EN EL SUMINISTRO DE AIRE

ELEMENTO PUNT~V~~~~;~ENCIA DE CONTROL ACTUADOR

DESEADA DEL MOTOR)

VÁLVULA VELOCIDAD DEL FLUJO + VELOCIDAD DEL FLUJO VELOCIDAD

MOTOR

Figura 6-1. Sistema de control de lazo abierto de la velocidad.

El PUNTO DE REFERENCIA inicialmente se coloca de tal manera cue el caudal permitido por la válvula mantiene una cierta velocidad del actuador. Esta velocidad se mantendrá bajo una carga constante del actuador y el suministro de aire. Sin embargo, si uno de estos parámetrns varía, la velocidad del actuador podría cambiar.

Debido a que el sistema está operando en condición de lazo abierto, éste no recibe realimentación para corregir los cambios en la velocidad del actuador. El operador tendría que reajustar el PUNTO DE REFERENCIA continuamente para mantener la velocidad del actuador en el valor deseado, lo cual es una tarea q.,Je consume tiempo y puede arrojar resultados imprecisos.

Control de lazo abierto de la velocidad del motor

En aplicaciones donde el suministro de aire y la carga en el motor permanecen casi constantes después que el motor haya sido ajustado en una velocidad deseada, un sistema de control de lazo abierto de la velocidad dará resultados satisfactorios a un bajo costo. Sin embargo, si la carga del motor varía de vez en cuando y es de gran importancia tener una buena regJlación de la velocidad, es muy probable que el sistema de control de lazo abierto de la velocidad sea inapropiado.

Medición de la velocidad del Motor bidireccional del equipo didáctico

Como muestra la figura 6-2, el conversor frecuencia a voltaje del módu o Acondicionadores de señal se puede utiiizar en conjunto con el Interruptor fotoeléctrico con reflexión difusa del equipo didáctico para medir la velocidad del motor neumático. Para hacer esto, el interruptor fotoelé:::trico debe colocarse perpendicularmente al motor a una distancia de 10 cm (4 pulgadas). El rayo del interruptor fotoeléctrico debe estar apuntando en dirección de la etiqueta blanca, que se encuenta en el eje del motor, y su contacto eléctrico debe conectarse a la entrada del conversor frecuencia a voltaje.

Cuando gira el motor, el contacto eléctrico del interruptor fotoeléctrico se abre y se cierra alternadamente, y por tanto genera una señal pulsada de 0-24 V cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del motor. Esta frecuencia se convierte en un voltaje cc proporcional por mecio del conversor frecuencia a voltaje. Cuanto


mayor es la velocidad del motor, mayor será el voltaje generado por dicho la conversor.


z s

<O <O C7 -€) 0 ¡~" o-sv@

@ o-,ov

0-24V @ [Z] ¡~" @ o-,ov

S N

CONVERSOR <O @ FRECUENCIA A

VOLTAJE 1 v 11000 rlmln

0-5 V

().10V

+ (~ @-24V=

./áIIlIfr"

Figura 6-2. Acondicionadores de señal del equipo didáctico.

El conversor frecuencia a voltaje tiene tres salidas diferentes, etiquetadas "N", "0-5 V" Y "0-10 V":

• La salida N tiene una calibración fija. Esta provee un voltaje de 1 ,O V por 1 000 r/min del motor;

• Las otras dos salidas, etiquetadas "0-5 V" Y "0-10 V", pueden ser calibradas por el usuario utilizando el potenciómetro S (intervalo). Este potenciómetro establece la frecuencia de entrada del conversor y por lo tanto la velocidad del motor, para la cual el voltaje será MÁXimo a la salida 0-5 V o 0-10 V del conversor.

6-3


SALIDA DE CALIBRACiÓN FIJA

6-4

AJUSTE DEL INTERVALO

MOTOR NEUMÁTICO

24V

\\ A INTERRUPTOR U FOTOELÉCTRICO PE1

I I I I I I

24 V f1

-""""-' ....... 07---., _ O~

PE1 , N A


SALIDA DE CALIBRACiÓN AJUSTABLE

V HA AUMENTADO LA VELOCIDAD

o~------------~

Figura 6-3. Medición de la velocidad del Motor bidireccional del equipo didáctico.

Si por ejemplo, el potenciómetro intervalo se ajusta para obtener 10,0 V a la salida 0-10 V del conversor cuando la frecuencia de entrada es 33 Hz (2000 r/min), el voltaje de salida será 7,5 V si la frecuencia de entrada se reduce a 24 Hz (1500 r/min). El ajuste del intervalo también determina el voltaje del PUNTO DE REFERENCIA necesario para un punto de operación en particular. En este ejemplo, el voltaje del PUNTO DE REFERENCIA debe estar en 7,5 V para tener una velocidad de 1500 r/min (24 Hz).


Control de la velocidad del motor utilizando una válvula con servocontrol de tipo presión

Como se vio anteriormente, las válvulas con servocontrol de tipo presión están diseñadas para controlar la presión en un circuito neumático y no el caudal. Desafortunadamente, para controlar la velocidad de un motor neumático se debe regular el caudal.

Por lo tanto, es necesario adicionar una válvula, cuyo orificio varíe dependiendo del nivel de presión, entre la válvula con servocontrol de tipo presión y el motor neumático. Esto se puede hacer mediante una válvula de control proporcional como la mostrada en la figura 6-4. La operación detallada de la válvula es la siguiente:

• Cuando la presión en el puerto piloto es cero (presión de salida de la válvula con servocontrol), la válvula de control proporcional está en la posición de descanso y no fluye aire a través de ésta (la válvula está cerrada);

• Cuando la presión en el puerto piloto (presión de salida de la válvula con servocontrol) comienza a aumentar, la válvula se acciona y comienza a fluir aire a través de su orificio. La abertura de la válvula de control proporcional varía en proporción con el nivel de presión aplicado a su piloto;

• La abertura de la válvula de control proporcional es MÁXima cuando la presión aplicada a su piloto es MÁXima.

PUERTO PilOTO PUERTO DE SALIDA

PUERTO DE ENTRADA

SíMBOLO

Figura 6-4. Válvula con control proporcional del equipo didáctico, módulo operado por piloto neumático.

6-5


6-6


En la primera parte del ejercicio, Montaje del equipo, usted montará el equipo.

En la segunda parte, Posicionamiento del piloto de la válvula de control proporcional, usted aprenderá cómo posicionar el piloto de la válvula de control proporcional. El piloto debe posicionarse cada vez que se utiliza esta válvula.

En la tercera parte, Medición de la velocidad del Motor bidireccional del equipo didáctico, usted aprenderá cómo medir la velocidad de dicho motor utilizando el Interruptor fotoeléctrico con reflexión difusa y el conversor frecuencia a voltaje del módulo Acondicionadores de señal.

En la cuarta parte, Control de lazo abierto de la velocidad del motor, usted realizará el control de lazo abierto de la velocidad del motor y verá el efecto que tiene la variación de la carga sobre la velocidad del motor.

EQUIPO REQUERIDO


PROCEDIMIENTO

Montaje del equipo

o 1. Obtenga el Motor bidireccional y el Interruptor fotoeléctrico con reflexión difusa de su lugar de almacenamiento.

o 2. Consultando la figura 6-5, coloque el interruptor fotoeléctrico de tal manera que quede perpendicular al eje del motor a una distancia de 10 cm (4 pulgadas) (2 filas de perforaciones). El rayo del interruptor fotoeléctrico debe estar apuntando en dirección de la etiqueta blanca del eje del motor. Coloque el motor en su lugar.


o

o

o

MOTOR o o o o o o o NEUMÁTICO

o o

o o o

o o o

o o INTERRUPTOR

o o o o FOTOELÉCTRICO

o

o o o FUENTE DE

o o o o o o ALIMENTACiÓN CC

o o o o o o

o o o

o o o o o o o o

Figura 6-5. Posicionamiento del Interruptor fotoeléctrico.


Nota: Para obtener una velocidad estable del motor, éste debe funcionar a alta velocidad durante 1 minuto. Para hacer esto, vierta un poco de aceite neumático en los puertos del motor y conecte el circuito como se muestra en la Figura 6-6.

En la Unidad de acondicionamiento, abra la válvula de clausura principal y la válvula de clausura de la ramificación requerida en el colector.


Después de 1 minuto aproximadamente, cierre las válvulas de clausura y gire la perilla de ajuste del regulador completamente en sentido antihorario. Continúe con el resto del ejercicio.

6-7


6-8

ADICIONAR ACEITE NEUMÁTICO EN ESTE PUERTO

"- MOT::>R NEUMÁTICO

Figura H. Circuito para la lubricación del motor.


D 5. Encienda la Fuente de alimentación cc y el Regulador PI D. No abra en este momento las válvulas de clausura de la Unidad de acondicio.,amiento.

D 6. En el Regulador PID, coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 0,0 V Y 10,0 V, respectivamente, a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1. Luego seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1.

D 7. En la Unidad de acondicionamiento, abra la válvula de clausura principal y la válvula de clausura de la ramificación requerida en el colector.


D 8. Abra del todo la Válvula de control de flujo FCV1 (completamente en sentido antihorario).

D 9. En el módulo Acondicionadores de señal, conecte un voltímetro cc a la salida N del conversor f/E.



G

r:-:;o----f!® ~.

"--..:._---;~ ...

FCV1


VÁLVULA DE CONTROL PROPORCIONAL

DIAGRAMA NEUMÁTICO

PlJHTOS DE AEFEAENCIA

-() " ~ 11) : •• - I

,O ~ :!

'oC I .~:

FUENTE DE ALIMENTACiÓN 24·V ce


MP2

Figura 6-7. Sistema de control de lazo abierto de la velocidad.

PE1

6-9


6-10

Posicionamiento del piloto de la válvula de control proporcional

o 10. Consultando la figura 6-8, aj.Jste la posición del piloto de la válvula de control proporcional, atornillando o desatornillando el piloto, para obtener 1,0 V a la salida N del conversor f/E. Esa posición corresponde a una velocidad de 1000 r/min. No utilice ninguna herramienta.

SALIDA DEL PUERTO

ENTRADA DEL PUERTO

Figura 6-8. Posicionamiento del piloto de la válvula de control proporcional.

o 11. En el Regulador PID, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2, Y coloque la válvula de control FCV1 para obtener 2,0 V a la salida N del conversor f/E. Este ajuste limitará la velocidad del motor a 2000 r/min.

Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1, Y asegúrese que el voltaje a la salida N del conversor f/E sea todavía 1,0 V. Reajuste la posición del piloto si es necesario.

Seleccione alternadamente los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para verificar los ajustes.

Nota: Dependiendo de su sistema de suministro de aire, la velocidad del motor neumático puede variar significativamente. Es posible que deba ajustar nuevamente la válvula de control de flujo.


Midiendo la velocidad del Motor bidireccional del equipo didáctico

o 12. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2.

Conecte el voltímetro cc a la salida 0-10 V del conversor f/E y calibre esta salida utilizando el potenciómetro S (intervalo) en 10,0 V.

o 13. En el Regulador PI D, coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 para obtener 4,0 V a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1. Mida el voltaje ahora presente a la salida 0-10 V del f/E conversor. ¿Todavía este vOltaje es 10,0 V? ¿Por qué?

o 14. Ya que el potenciómetro intervalo está ajustado para entregar 10,0 Va la salida 0-10 V del conversor cuando la frecuencia de entrada es 33 Hz (2000 r/min), calcule la velocidad real del motor utilizando el voltaje que midió en el paso anterior.

Velocidad real del motor: r/min

Control de lazo abierto de la velocidad del motor

o 15. Abra del todo la Válvula de control de flujo FCV1 (completamente en sentido antihorario).

o 16. En el Regulador PID, coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 para obtener una velocidad del motor de 2000 r/min. Esto corresponde a un voltaje de 2,0 V a la salida N del conversor f/E.

o 17. Registre en la celda correspondiente de la tabla 6-1 el voltaje del PUNTO DE REFERENCIA presente a la salida del PUNTO DE REFERENCIA. Esta condición simula una condición sin carga.

CONDICiÓN DE CARGA VOLTAJE DEL PUNTO DE

VELOCIDAD DEL MOTOR REFERENCIA

Sin carga 2000 r/min

Carga liviana 2000 r/min

Tabla 6-1. Voltajes del PUNTO DE REFERENCIA para dos condiciones de carga.

6-11


6-12

o 18. Simule una reducción de la velocidad producida por un aumento en la carga del motor (o por una flu::tuación en el suministro de aire) girando la perilla de la válvula de control de flujo FCV1 en sentido horario hasta que la velocidad del motor sea 1800 r/min(1 ,8 V a la salida N del conversor f/E).

o 19. En el Regulador PID, vuelva a ajustar el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 para obtener una velocidad del motor de 2000 r/min(2,0 V a la salida N del conversor f/E).

Registre en la celda correspondiente de la tabla 6-1 el voltaje del PUNTO DE REFERENCIA presente a la salida del PUNTO DE REFERENCIA en la fila Carga liviana.

o 20. ¿Consultando los valores indicados en la tabla 6-1, ¿este sistema de control de lazo abierto de la velocidad es capaz de mantener la velocidad del motor constante cuando cambia la condición de la carga? Explique.

o 21. ¿Qué tipo de control alcanzó :::uando aumentó el PUNTO DE REFERENCIA para compensar la disminución de la velocidad del motor? Explique.

o 22. En la Unidad de acondicionamiento, cierre las válvulas de clausura y gire completamente la perilla de ajuste del regulador en sentido antihorario.



CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted aprendió cómo medir la velocidad del Motor bidireccional del equipo didáctico con un Interruptor fotoeléctrico y un conversor frecuencia a voltaje. Vio que el voltaje de salida del conversor era directamente proporcional a la velocidad del motor.


Usted realizó el control de lazo abierto de la velocidad del motor. Vio que la velocidad del motor disminuyó cuando aumentó la carga. Ya que el sistema estaba operando en el modo de lazo abierto, éste no recibió la realimentación eléctrica para corregir la disminución de la velocidad del motor.


1. ¿Qué es un sistema de control de lazo abierto de la velocidad?

2. ¿Qué significan las "perturbaciones"?

3. ¿El sistema de control de lazo abierto de la velocidad es capaz de corregir las variaciones de la velocidad del motor? Explique.

4. ¿Debe utilizarse un sistema de control de lazo abierto de la velocidad en aplicaciones donde la carga del motor varía de tanto en tanto y cúando es de gran importancia tener una buena regulación de la velocidad?

6-13

Ejercicio 7

Control de lazo cerrado de la velocidad, Modo proporcional más integral más derivativo


• Describir el modo de control derivativo; • Describir las ventajas y desventajas del control derivativo; • Describir el modo de control proporcional más integral más derivativo; • Definir los términos tiempo derivativo, configuraciones ideal y paralela; • Describir como un cambio en el tiempo derivativo afecta la velocidad controlada

cuando se utiliza el control proporcional más integral.

PRINCIPIOS

Control de lazo cerrado de la velocidad del actuador

En el ejercicio anterior, usted controló la velocidad de un motor neumático con un sistema de lazo abierto. La velocidad del motor disminuía cuando aumentaba la carga debido a que el sistema estaba controlando la apertura de la válvula y no la velocidad real del motor.

La adición de un controlador y de un lazo de realimentación a un sistema de control de la velocidad reduce significativamente las variaciones en la velocidad del actuador. Este tipo de sistema, denominado "sistema de control de lazo cerrado", se ilustra en la figura 7-1 .

• El controlador compara el PUNTO DE REFERENCIA (la velocidad deseada del motor) con la velocidad medida y corrige cualquier diferencia entre las dos modificando la apertura de la válvula hasta que el sistema alcanza un estado de equilibrio.

• El lazo de realimentación contiene un transductor de velocidad que mide la velocidad real del actuador y genera una señal proporcional la cual se envía de nuevo al controlador.

7-1


PUNTO DE REFERENCIA

(VELOCIDAD DEL MOTOR DESEADA)

CONTROLADOR P.I.D.

DETECTOR DE ERROR

+

VELOCIDAD MEDIDA

SALIDA DEL C:JNTROLADOR

ELEMENTO DE CONTROL

VÁLVULA

PERTURBACIONES

CAUDAL +

ACTUADOR

VELOCIDAD MOTOR

TRANSDUCTO:::¡ '--------------l DE VELOCIDAD ¡.---------LAZ-O-D-E-R-E-AL-IM-E-N-T-A-CI....,.Ó-N----'

7-2

Figura 7-1. Control de lazo cerrado de la velocidad del actuador.

El modo de control derivativo (D)

A diferencia del modo de control proporcional, el cual considera el valor "presente" del error, o el modo de control integral, el cual tiene en cuenta el valor "pasado" del error, el modo de control derivativo anticipa el valor "futuro" del error basado en la velocidad en la cual está cambiando. El modo de control derivativo se opone a los cambios en la velocidad del actuador produciendo una corrección significativa e inmediata del error y así reduce la sobreelongación de la velocidad del actuador.

La acción derivativa se alcanza utilizando un amplificador derivativo. Este tipo de amplificador genera una señal proporcional a la velocidad de cambio (pendiente o derivativa) de su señal de entrada. La figura 7-2, por ejemplo, muestra la señal generada a la salida del amplificador derivativo cuando la señal en su entrada cambia gradualmente. Cuando la señal de entrada aumenta, la señal de salida es positiva y proporcional a la velocidad de cambio de la señal de entrada. Cuando la señal de entrada disminuye, la señal de salida es negativa y proporcional a la velocidad de cambio de la señal de entrada. Cuando la señal de entrada es constante, la señal de salida es cero.


(+)

SEÑAL DE ENTRADA o

H

(+)

SEÑAL DE SALIDA o

H

AMPLIFICADOR DERIVATIVO

ENTRAD K J!!... SALIDA o dI

TIEMPO

TIEMPO

Figura 7-2. La señal de salida de un amplificador derivativo cuando la señal de entrada cambia gradualmente.

Le ecuación que describe la acción de un amplificador derivativo es

di Do (t) = KD x_ dt

donde Do (t) es la señal de salida en un tiempo específico; KD es la ganancia derivativa;

di/dt es la velocidad de cambio (pendiente o derivada) de la señal de entrada.

Le ecuación muestra que la acción derivativa no solamente es proporcional a la velocidad de cambio de la señal de entrada sino que también lo es a la ganancia derivativa, KD• La ganancia derivativa, en segundos, es la longitud de tiempo durante el cual el modo derivativo anticipa el valor futuro de la señal de entrada. Cuanto mayor sea la ganancia derivativa mayor será la acción derivativa y menor será la velocidad de cambio requerida para generar una salida dada.

La figura 7-3, por ejemplo, muestra la señal de salida de un amplificador derivativo para dos ganancias derivativas diferentes. Durante el primer segmento de la señal de entrada, el cual dura 5 segundos, la señal aumenta 1,5 V, lo que corresponde a una velocidad de cambio de 0,3 V/s. Por lo tanto, la señal de salida durante este

7-3


7-4

intervalo es 0,6 V con una ganancia derivativa de 2 segundos y 1,2 V con una ganancia derivativa de 4 segundos.

VOLTAJE (V)

20

1.50

1.0

SEÑAL DE ENTRADA

-1.0

-2.0

2.0

1.0

0.6 -t--------,l

5 I

10

SEÑAL DE SALIDA

CON To=2s

:~~ ------------+-------1-------1

SEÑAL DE SALIDA

CON To=4s

-2.0

2.0

1.2 +-------1 1.0

-1 .0

-2.0

10

-2.8 -------------------- L-____ .....I

15 TIEMPO (s)

15 TIEMPO (s)

15 TIEMPO (s)

Figura 7-3. La señal de salida de un amplificador derivativo para dos ganancias derivativas diferentes KD•

Una característica importante del medo de control derivativo es que no se puede utilizar solo en un sistema de control. La razón es que un error nulo o constante generaría una señal cero a la salida del controlador y detendría el actuador. En cambio el modo derivativo se combina con los modos proporcional e integral para reducir las sobreelongaciones de la velocidad del actuador y amortiguar la tendencia hacia la inestabilidad.

PUNTO DE REFERENCIA (VELOCIDAD DEL MOTOR DESEADA


DETECTOR DE ERROR

VELOCIDAD MEDIDA

El modo de control proporcional más integral más derivativo (PID)

El modo de control proporcional más integral más derivativo combina las ventajas de cada modo. Añadiendo la acción integral a la acción proporcional se eliminará el error residual , pero aumentará la sobreelongación y la tendencia hacia la inestabilidad. Sin embargo, al adicionar la acción derivativa, se puede reducir la sobreelongación y la tendencia hacia la inestabilidad.

La figura 7-4 muestra el diagrama de un controlador operando en el modo PID La señal de error generada por el detector de error primero se amplifica por medio del amplificador proporcional. La señal resultante luego se pasa a través de los amplificadores integral y derivativo. Finalmente, las señales de salida de los tres amplificadores se suman en el punto de adición para generar la señal de salida del controlador.

CONTROLADOR PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL MÁS DERIVATIVO

ERROR (E~



AMPLIFICADOR INTEGRAL

+

"1 Kp· KIJ. ; Ep dI + Ca (lo) K,J,o

+

PUNTO DE ADICiÓN

Figura 7-4. Diagrama simplificado de un controlador operando en el modo proporcional más Integral más derivativo (PID).

SALIDA DEL ONTROLADOR

(CO )

7-5


7-6

La salida del controlador en un tiempo específico, t, está dada por:

t dE Ce (t) = Ep x Kp + Kp x KI J Ep dt + Kp x KD --p + Ce (to)

dt 10

donde Ca (t) es la salida del controlador en un tiempo específico; Ep es el error en el tiempo específico; Kp es la ganancia proporcional; K, es la ganancia integral;

Ko es la ganancia derivativa; Ce (to) es la salida del controlador al inicio del tiempo de observación

(t = O).

En esta ecuación, el primer término corresponde a la acción proporcional, el segundo a la acción integral y el tercero a la acción derivativa. Así, el controlador considera el valor actual del error, la integral del error sobre un intervalo de tiempo reciente y la derivativa actual del error para determinar no solamente la magnitud de la corrección a aplicar sino por cuánto tiempo.

La figura 7-5 muestra un ejemplo de lo que ocurre en un sistema de control PIO cuando el error cambia repentinamente. Ambas acciones, proporcional y derivativa, reaccionan inmediatamente cuando el error cambia haciendo pico en un valor positivo alto. Sin embargo, después de este pico inicial, la acción derivativa, la cual se relaciona directamente con la velocidad de cambio de la acción proporcional, se vuelve negativa debido a la disminución de la acción proporcional. La acción derivativa actúa de manera opuesta a la acción proporcional, lo cual a su vez reduce la sobreelongación de la velocidad del actuador y causa que éste se estabilice rápidamente.

Es importante notar que el modo PID debe utilizarse con cuidado en sistemas donde hay ruido excesivo. La acción derivativa tiende a amplificar el ruido lo cual puede causar que la señal de salida del controlador se vuelva ruidosa, lo que podría provocar la inestabilidad del sistema La acción derivativa puede también sobre reaccionar a un cambio repentino en el error, resultando en un aumento en la sobreelongación de la velocidad del actuador. Tales problemas se pueden sobrellevar adicionando un filtro pasa bajas a la entrada de la sección del modo derivativo del controlador. El propósito del filtro es restaurar la estabilidad del sistema eliminando cualquier cambio en la señal de error que es más rápido que la respuesta del sistema. El Regulador PIO suministrado con su equipo didáctico está equipado con dicho filtro.


(+)

ERROR Or-~~--~~~~~------------------------~


Y ACCIONES P, I, D

(-)

(+) SALIDA DEL CONTROLADOR

ACCiÓN INTEGRAL

ACCiÓN PROPORCIONAL

TIEMPO

VALOR FINAL DE C o

0r-~~~~~~----------------------TIEMPO

ACCiÓN DERIVATIVA

(-)

Figura 7-5. Ejemplo de lo que ocurre en un sistema proporcional más integral más derivativo cuando el error cambia repentinamente.

Comparación de los modos proporcional, proporcional más integral y proporcional más integral más derivativo

La figura 7-6 es una comparación de la respuesta de la velocidad del actuador a un cambio repentino en el PUNTO DE REFERENCIA con los modos de control proporcional (P), proporcional más integral (PI) y proporcional más integral más derivativo (PID).

• Ambos modos, el PI y el PID, eliminan el error residual inherente al modo P;

• Con el modo PID, sin embargo, la acción derivativa reduce las sobreelongaciones de la velocidad del actuador y ayuda a estabilizar el sistema más pronto que con el modo PI. Cuanto mayor sea el tiempo derivativo más pequeñas serán las sobreelongaciones y más corto será el tiempo de estabilización. Sin embargo, el tiempo derivativo no debe ser muy largo, es más, existe un punto en el que aumentar el tiempo derivativo más allá del mismo volvería al sistema muy oscilatorio.

7-7


7-8

VOLTAJE

PUNTO DE REFERENCIA Y

VELOCIDAD MEDIDA

~ PUNTO DE REFERENCIA

PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL

PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL MÁS DERIVATIVA

1-I I I

TIEMPO

Figura 7-6. Comparación de los modos de control proporcional, proporcional más integral y proporcional más integral más deriwtivo.

Configuración del Controlador PIO

Los controladores PID se pueden configurar de diferentes maneras. Los dos tipos de configuraciones comunes son la configuración "ideal" y la "paralela ".

• En la configuración "ideal", el amplificador proporcional se conecta en serie con los amplificadores integral y derivativo, los cuales a su vez están conectados en paralelo entre sí, como muestra la figura 7-4. Con esta configuración, el amplificador proporcional inter actúa con los amplificadores integral y derivativo. Como resultado, al aumentar la ganancia proporcional aumentarán las acciones integral y derivativa al mismo tiempo.

• En la configuración "paralela", los amplificadores proporcional, integral y derivativo están conectados en paralelo. Esto resulta en una interacción mínima entre estos amplificadores, como muestra la figura 7-7. Por lo tanto, aumentar la ganancia proporcional no afectará las acciones integral y derivativa.

PUNTO DE REFERENCIA (VELOCIDAD DESEADA)


CONTROLADOR PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL MÁS DERIVATIVO

AMPLIFICADOR DETECTOR PROPORCIONAL DE ERROR

~ Ep ' Kp + K I J,' Ep dI + Kod Ep/ dl +Co (lo) SALIDA DEL

CONTROLADOR + ERROR (E?, o

- / AMPLIFICADOR

INTEGRAL

~ ~


~ V

VELOCIDAD MEDIDA

Figura 7-7. Diagrama simplificado de una configuración paralela.


En la primera parte del ejercicio, Familiarización con el controlador proporcional más integral más derivativo, usted se familiarizará con los componentes y la operación de un controlador proporcional más integral más derivativo.

En la segunda, Control proporcional más integral más derivativo de la velocidad del motor, usted estudiará el control proporcional más integral más derivativo de la velocidad del motor. Observará el efecto que tiene incrementar las ganancias integral y derivativa sobre la respuesta de la velocidad del motor (voltaje de realimentación) durante un repentino cambio en el PUNTO DE REFERENCIA.

EQUIPO REQUERIDO


(Co )

7-9


7-10

PROCEDIMIENTO

Familiarización con el controlador proporcional más integral más derivativo

o 1. Conecte el circuito como se muestra en la Figura 7-8. En este sistema, un controlador ideal PID consta de un DETECTOR DE ERROR, los AMPLIFICADORES PROPORCIONAL, INTEGRAL Y DERIVATIVO, el PUNTO DE ADICiÓN Y la sección L1MITADOR del Regulador PID. El GENERADOR DE RAMPA se utiliza para estudiar la operación del amplificador derivativo.

Nota: No conecte esta vez la salida 0-10 V del conversor [0-24 V] ElE a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR. Tampoco conecte esta vez el Motor bidireccional a la Unidad de acondicionamiento. Estas conexiones se harán más adelante en el ejercicio.


RAMPA 1 .... ... ...................... .. ...... . .. MÁX. Rango de la GANANCIA (P) PROPORCIONAL ... ... . . ... BAJA GANANCIA PROPORCIONAL (P) ...... . .. . .. . ....... . MíN. GANANCIA INTEGRAL (1) ........... . . .. ....... 1h del MÁX. GANANCIA DERIVATIVA (O) ... . . . . . . . . .. . . ......... . MÁX. INTEGRADOR ANTI REINICIO . ....... . .. ... ........ . . . . O ÚMITE INFERIOR ................................. MíN. ÚMITE SUPERIOR . . .. . . . .. ... .. .. .. .. . . .... . Y2 del MÁX.


o 4. En el Regulador PID, coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 0,0 V Y 0,25 V, respectivamente, a la entrada del amplificador proporcional. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2.



FCV1


VÁLVULA DE CONTROL PROPORCIONAL

DIAGRAMA NEUMÁTICO

MP2

PE1

_. ®-------[2J",---' ..J' --;~ ~:. VÁLVULA CON SERVOCONTROL

~

~.

FUENTE DE ALIMENTACiÓN DE 24-V CC


Figura 7-8. Control proporcional más integral más derivativo (PID) de la velocidad del motor.

7-11


7-12

o 5. En el Regulador PID, ajuste la ganancia proporcional para obtener 0,25 V a la salida del amplificador proporcional. Esto colocará la ganancia del amplificador proporcional en alrededor de 1.

Vigile el voltaje a la salida del amplificador integral. Una vez que este voltaje haya alcanzado los niveles de saturación positivos de alrededor de 14,0 V, coloque el interru¡::tor del INTEGRADOR ANTI REINICIO en I y coloque el potenciómetro L ·MITE SUPERIOR para obtener 10,0 V a la salida del amplificador integral.

Mida el voltaje a la entrada del amplificador derivativo. Este voltaje corresponde al voltaje de salida del amplificador proporcional de 0,25 V.

Mida el voltaje a la salida del amplificador derivativo. ¿Este voltaje es nulo (0,0 V)? ¿Por qué?

o 6. Vuelva a ajustar el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 para obtener 10,0 V a la entrada del amplificador derivativo.

o 7. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1. Esto causará que el voltaje a la entrada del amplificador derivativo disminuya desde 10,0 V a 0,0 V a una velocidad de 3,3 V/s, como lo establece el potenciómetro GENERADOR DE RAMPA 1. Mientras hace esto vigile el voltaje a la salida del amplificacor derivativo.

Usted debe observar que el voltaje permanece en alrededor de -3,3 V durante 3 s antes de volver a 0,0 V. La polaridad negativa indica que el voltaje disminuye a la entraca del amplificador derivativo. ¿Ésta es su observación?

DSí DNo

o 8. Seleccione el potenciómetro :JUNTO DE REFERENCIA 2. Esto causará que el voltaje a la entrada del amplificador derivativo aumente desde 0,0 V a 10,0 Va una velocidad de 3,3 V/s, como lo establece el potenciómetro GENERADOR DE RAMPA 1. Mientras hace esto vigile el voltaje de salida del amplificador derivativo.

Usted debe observar que el voltaje permanece en alrededor de 3,3 V durante 3 s antes de volver a 0,0 V. La polaridad positiva indica que el voltaje aumenta a la entrada del amplificador derivativo. ¿Ésta es su observación?

o Sí O No


o 9. Teniendo como base sus observaciones, determine el ajuste real de la ganancia del amplificador derivativo, en segundos.

o 10. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1, Y coloque el potenciómetro para obtener 1,0 V a la entrada del amplificador proporcional.

o 11 . Mida los voltajes a las entradas del PUNTO DE ADICiÓN. Estos voltajes corresponden a los voltaje de salidas de los amplificadores proporcional, integral y derivativo y deben estar alrededor de 1,0 V, 10,0 V Y 0,0 V, respectivamente.

Mida el voltaje a la salida del PUNTO DE ADICiÓN. ¿Este voltaje es alrededor de 11 ,O V? Explique.

o 12. En el Regulador PID, mida el voltaje a la salida del LlMITADOR. ¿Este voltaje es aproximadamente 10,0 V? Explique.

o 13. En el Regulador PID, retire el GENERADOR DE RAMPA del circuito controlador desconectando sus cables de sus terminales. Retire también el cable entre la salida del LlMITADOR y la entrada 0-10 V de la válvula con servocontrol.

Control proporcional más integral más derivativo de la velocidad del motor

Ajustes preliminares

Nota: Para obtener una velocidad del motor estable, el motor debe funcionar a alta velocidad durante 1 minuto. Para hacer esto, desconecte el motor del circuito de la figura 7-8, vierta un poco de aceite neumático en los puertos del motor y conecte el circuito como se muestra en la Figura 6-6.

En la Unidad de acondicionamiento, abra la válvula de clausura principal y la válvula de clausura de la ramificación requerida en el colector. Ajuste el regulador de presión para obtener 630 kPa (90 psi) en el manómetro de presión regulada.

7-13


7-14

Después de aproximadamente 1 minuto, cierre las válvu:as de clausura y gire completamente en sentido antihorario la perilla de ajuste del regulador. Conecte su motor en el circuito de la figura 7-8 y continúe con el resto del ejercicio.

o 14. En el Regulador PID, conecte la salida el PUNTO DE REFE,ENCIA a la entrada 0-10 V de la válvula con servocontrol.

Coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 0,0 V Y 10,0 V, respectivamente, a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1. Luego seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1.



o 16 Abra del todo la Válvula de control de flujo FCV1 (completamente en sentido antihorario).

o 17. Coloque la posición del piloto de la válvula de control proporcional para obtener 1,0 V a la salida N del conversor f/E. Esto corresponde a una velocidad de1 000 r/min. Consulte la sección posicionamiento del piloto de la válvula de control proporcional en el ejercicio 6 si es necesario.

Ajuste del intervalo

o 18. En el Regulador PI D, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2.

Coloque la válvula de control flujo FCV1 para obtener 1,6 V a la salida N del conversor f/E. Este ajuste corresponde a la velocidad del motor de 1600 r/min.

o 19. Conecte el voltímetro cc a la salida del conversor f/E. Calibre esta salida de tal modo que proporcione 10,0 V utilizando el potenciómetro S (intervalo).

o 20. Una vez completados los ajustes, abra del todo la válvula je control de flujo FCV1 (completamente en sentido antihorario) .


Nota: Si el indicador LEO del Interruptor fotoeléctrico titila o no se enciende reduzca la velocidad del motor disminuyendo el flujo de aire con la válvula de control de flujo FCV1.

o 21. Apague el Regulador PID. Conecte la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1 a la entrada positiva del DETECTOR DE ERROR Y vuelva a conectar el cable entre la salida del LlMITADOR y la entrada 0-10 V de la Válvula con servocontrol.

Coloque el sistema en modo de lazo cerrado conectando la salida 0-10 V del conversor f/E a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR.


Rango de la GANANCIA PROPORCIONAL (P) . . . . . . . . . .. BAJA GANANCIA PROPORCIONAL (P) . . . . . . . . . . . . . . .. 14 del MÁX. Rango de la GANANCIA INTEGRAL (1) . . . . . . . . . . .. Y2 del MÁX. GANANCIA DERIVATIVA (D) ................... Y2 del MÁX.

Operación del sistema

o 23. Encienda el Regulador PID. Una vez que se estabilice la velocidad del motor, mida el voltaje a la salida del DETECTOR DE ERROR. ¿El error entre el PUNTO DE REFERENCIA Y el voltaje de realimentación (velocidad medida) es nulo? Explique.

o 24. Conecte el Voltímetro cc a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR.

o 25. En el Regulador PID, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para reducir la velocidad del motor, luego coloque la ganancia derivativa en MíN.

o 26. Cree un cambio de escalón de 0-10 V en el PUNTO DE REFERENCIA seleccionando el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2. Usted debe observar que el voltaje de realimentación se estabiliza en el PUNTO DE REFERENCIA de 10,0 V, pero que el PUNTO DE REFERENCIA presenta sobreelongaciones antes de que se estabilice. ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

7-15


7-16

Nota: Si su respuesta a la pregunta es "no", varíe la ganancia proporcional hasta que el sistema opere como se indica.

o 27. En el Regulador PID, selecciooe el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para reducir la velocidad del motor.

o 28. Ahora adicione la acción derivativa al controlador ajustando la GANANCIA DERIVATIVA en Y2 del MÁX.

o 29. Seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 2 Y observe qué ocurre con el voltaje de realimentación. Usted debe observar que la adición de la acción derivativa al controlador ha reducido la sobreelongación del voltaje de realimentación y ha amortiguado la tendencia hacia la inestabilidad. ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

o 30. Repita el cambio de escalón de 0-10 V en el PUNTO DE REFERENCIA con diferentes ganancias derivativas. Usted observará que cuanto más largo sea el tiempo derivativo, menor es la sobreelongación y más corto es el tiempo de estabilización. Sin embargo, existe un punto en el que aumentar el tiempo derivativo más allá de éste volvería al sistema muy oscilatorio.


o 32. Apague el Regulador PID y Ié. Fuente de alimentación cc.

o 33. Desconecte y guarde 10dos los cables y componentes.

CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted estudié el control proporcional más integral más derivativo de la velocidad del motor. Vio que de manera similar a los controles proporcional más integral, y proporcional más integral más derivativo, el error entre el PUNTO DE REFERENCIA y el voltaje de realimentación se elimina automáticamente debido a la acción integral del controlador.

Usted vio el efecto que tiene aumentar las ganancias integral y derivativa sobre la respuesta de la velocidad del motor (voltaje de realimentación) durante un cambio repentino en el PUNTO DE REFERENCIA.



1. ¿Qué significa "ganancia derivativa"?

2. ¿ Qué sucede con la señal de salida de un amplificador derivativo cuando la señal a su entrada aumenta gradualmente?

3. ¿Cuándo la señal de salida de un amplificador derivativo es igual a cero?

4. Cuanto mayor es la ganancia derivativa, menor es la velocidad de cambio de la entrada que se necesita para generar una salida.

o Verdadero o Falso

5. ¿Cuál es la ventaja y la desventaja del control derivativo?

6. ¿Cuál es la diferencia entre la configuración ideal y la configuración paralela?

7-17

Control de lazo cerrado de la presión, Modo proporcional más integral


Ejercicio 8

• Entender el control de la presión en lazo abierto y en lazo cerrado; • Aprender cómo medir la presión en un circuito neumático; • Controlar la presión en un modo de lazo cerrado.

PRINCIPIOS

Control de la presión

El control de la presión por lo general se utiliza ya sea para limitar la presión aplicada a un pistón del cilindro o para mantener un nivel específico de la presión en una ramificación del circuito.

• En algunas aplicaciones, por ejemplo, es necesario limitar la presión aplicada a un pistón del cilindro para evitar deformaciones o aplastamiento de las piezas de trabajo;

• En otras aplicaciones, es necesario mantener la presión aplicada al pistón del cilindro en un nivel específico durante los ciclos sucesivos del cilindro para ejercer una fuerza muy precisa contra las piezas de trabajo.

El control de la presión del cilindro se puede hacer ya sea con un regulador de presión convencional o con una válvula con servocontrol de tipo presión (regulador electroneumático de presión). Sin embargo, una válvula con servocontrol de tipo presión se puede controlar a distancia con un potenciómetro en el tablero del operador. Más aún, la válvula con servocontrol permite un ajuste preciso del nivel de la presión.

Como en el control de la posición, el control de la presión se puede lograr utilizando ya sea un sistema de lazo abierto o de lazo cerrado.

Con el sistema de lazo abierto, la presión se controla mediante un PUNTO DE REFERENCIA únicamente y la presión real no se tiene en cuenta. Este tipo de sistema no puede proporcionar ni mantener un control exacto de la presión.

Con el sistema de lazo cerrado, la presión se controla con un controlador y un lazo de realimentación. La mayoría de los sistemas de control de presión son de lazo cerrado debido a que estos proporcionan un control exacto de la presión y mejoran la repetitividad (la habilidad de proporcionar en todo momento la misma salida para una misma entrada), para un voltaje del PUNTO DE REFERENCIA dado.

8-1


8-2

PUNTO DE REFERENCIA

(PRESiÓN DESEADA)

Sistemas de control de la presión de lazo cerrado

La figura 8-1 muestra el diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado utilizado para controlar la presión en un sistema neumático. El controlador opera en el modo proporcional más integral. Un transductor de presión mide la presión a la salida de la válvula con servocontrol y genera un voltaje proporcional que realimenta el controlador. El PUNTO DE REFERENCIA es un voltaje que corresponde al nivel de presión deseado.

CONTROLADOR P.I.

DETECTOR DE ERROR

PUNTO DE ADICiÓN

+ P

TRANSDUCTOR PRESION DE PRESiÓN MEDIDA ~ __________________ ~E

P

Figura 8-1. Sistema de control de la presión de lazo cerrado.

Al ACTUADOR

La operación detallada del sistema es la siguiente: el detector de error del controlador compara continuamente el PUNTO DE REFERENCIA con la presión medida. Cuando hay una diferencia entre estas dos señales, el dete:tor de error genera una señal de error. La señal de error luego se amplifica por medio del amplificador proporcional y se integra en el tiempo mediante el amplificador integral. Finalmente las señales de saltda de los amplificadores proporcional e integral se suman en el punto de adición ~ara generar la señal de salida del controlador.

Cuando el error es positivo (la presión medida es menor que el PUNTO DE REFERENCIA) , un voltaje de control positivo se aplica a la válvula con servocontrol para aumentar la presión en el circuito. Cuando el error es negativo (la presión medida es mayor que el PUNTO DE REFERENCIA) un voltaje de cor,trol negativo se aplica a la válvula con servocontrol para disminuir la presión en el circuito.

Cuando la presión del circuito aumenta o disminuye como sea necesario, la diferencia entre el PUNTO DE REFERENCIA y la presión medida se vuelve más pequeña hasta que finalmente el error se vuelve nulo.


Cuanto más altas sean las ganancias proporcional e integral, la presión del circuito alcanza más rápido el nivel deseado, pero si las ganancias son muy altas, el sistema puede comenzar a oscilar.

Es importante que la presión de suministro de aire en el puerto de entrada de la válvula con servocontrol se mantenga por encima del demarcado por el PUNTO DE REFERENCIA en todo momento mientras esté funcionando el sistema. De otra manera, la válvula con servocontrol no será capaz de llegar y mantener la presión en el PUNTO DE REFERENCIA.

Transductor de presión

Su equipo didáctico viene con un Transductor de presión, modelo 6471, que proporciona un voltaje proporcional a la presión de aire. El Transductor de presión es del tipo de estado sólido. Este consiste de un diafragma de medición de silicona capaz de flexionarse mecánicamente. Cuatro resistores forman un circuito en puente sobre el diafragma. Cuando se aplica la presión, el diafragma se desvía causando que los resistores cambien la resistencia (efecto piezoeléctrico). Cuando la presión aumenta, el voltaje de salida medido se vuelve más grande.

Un voltaje de 24 V cc se debe aplicar a los terminales de alimentación del transductor con el fin de que éste funcione. La presión que va a ser medida se aplica al puerto neumático del transductor.

La operación del Transductor es la siguiente: la preslon aplicada al puerto neumático del transductor se transmite al diafragma de medición, causando que se desvíe el diafragma. Esto resulta en un cambio en la resistencia y en un aumento en el voltaje a la salida del transductor. Cuanto mayor es la presión aplicada, mayor es el cambio de la resistancia y por tanto mayor es el voltaje de salida del transductor.

El voltaje de salida del transductor aumenta desde 1,0 a 5,0 V cuando la presión aplicada aumenta desde O a 1000 kPa (O a 145 psi). El voltaje de salida del transductor se puede convertir a un voltaje estándar 0,0-10,0 V para utilizarlo con el Regulador PID. Para hacer esto, el voltaje de salida del transductor debe aplicarse a la entrada 0-5 V del conversor [0-5 V] E/E en el módulo Acondicionadores de señal y el voltaje convertido se debe llevar a la salida 0-10 V de este conversor (vea la figura 8-2).

8-3


8-4

PRESIÓN DE AIRE

TRANSDUCTOR DE PRESIÓN

E(V~~

VOLTAJ= DE SALIDA

DEL TRANSDUCTOR

t

E~J~ ACONDICIONADORES

DE SEÑAL .---~~~=----. o t

VOLTAJE ~ @N' DE SALIDA

-"~ @ .... DEL CONVERSOR

1<6 .. ~-' ~.'@' ~) N'

~~~) ....

Figura 8-2. Transductor de presión.

Usted notará que el conversor [0-5 V] E/E del módulo Acondicionadores de señal tiene dos potenciómetros, denominados Z (cero) y S (intervalo). Estos potenciómetros se utilizan para establecer el rango del voltaje de entrada dentro del cual el voltaje de salida del conversor pasará desde el mínimo hasta el máximo:

• El potenciómetro cero establece el voltaje de entrada para el cual el voltaje de salida del conversor será mínimo;

• El potenciómetro intervalo establece el voltaje de entrada para el cual el voltaje de salida del conversor será máximo

Como ejemplo, los potenciómetros cero e intervalo pueden ajustarse de tal modo que cuando el voltaje de entrada del conversor varía entre 1,0 Y 3,5 V, el voltaje variará entre 0,0 y 5,0 V a la salida del conversor [0-5 V] E/E o entre 0,0 y 10,0 V a la salida del conversor [0-10 V] E/E.

Cuando se utiliza el conversor [0-5 V] E/E para convertir el voltaje de salida del transductor de presión a un voltaje 0-10 V, los potenciómetros intervalo y cero deben ajustarse de la siguiente manera:

• Con la presión de operación mínima aplicada al puerto neumático del Transductor de presión, el potenciómetro Z se ajusta de tal modo que el voltaje a la salida 0-10 V del conversor [0-5 V] E/E es 0,0 V;

• Con la presión de operación máxima aplicada al puerto neumático del Transductor de presión, el potenciómetro S se ajusta de tal manera que el voltaje a la salida 0-10 V del conversor [0-5 V] E/E es 10,0 V.



En la primera parte del ejercicio, Control de lazo abierto de la presión, usted observará la relación entre el control y la presión en el control de lazo abierto.

En la segunda parte, Medición de la presión utilizando el transductor de presión del equipo didácticoTransductor de presión, usted aprenderá a medir la presión en un circuito utilizando un transductor de presión.

En la tercera parte del ejercicio, Control de lazo cerrado de la presión, usted realizará el control de lazo cerrado de la presión. Observará la relación entre el flujo y la presión en el control de lazo cerrado.

En la última parte del ejercicio, Repetitividad del sistema, usted determinará si el sistema de lazo cerrado es capaz de llegar al mismo nivel de presión en ciclos sucesivos para un voltaje dado del PUNTO DE REFERENCIA.

EQUIPO REQUERIDO


PROCEDIMIENTO

Control de lazo abierto de la presión

Montaje del sistema


FCV1 COLOCADA EN

30 I/min CAUDALÍMETRO (1 SCFM)

MP2

Figura 8-3. Control de lazo abierto de la presión.

FCV2


8-5


8·6

o 3. Cierre la Válvula de control de flujo FCV1 girando completamente en sentido horario la perilla de control y abra la Válvula de control de flujo FCV2 girando completamente en sentido antihorario la perilla de control.


Ajuste el re{}Jlador de presión para obtener 140 kPa (20 psi) en el manómetro de presión regulada.

o 5. Coloque la Válvula de control de flujo FCV1 para obtener 30 I/min (1 SCFM) en el Caudalímetro.

Vuelva a realizar el ajuste del regulador principal de presión y de la Válvula de control de flujo FCV1 para obtener exactamente 140 kPa (20 psi) y 30 I/min (1 SCFM) .

Nota: La Válvula de control de flujo FCV1 está ajustada en 30 Vmin (1 SCFM) con el fin de que corresponda a las características de flujo de la vátvula con servocontrol que será utilizada en este ejercicio.

o 6. Cierre la Válvula de control de flujo FCV2 girando completamente en sentido horario la perilla de control.

Registre la presión indicada por el Manómetro MP2 en la fila ·0 vuelta" de la columna LAZO ABIERTO en la tabla 8-1.


ABERTURA DE LA VÁLVULA PRESiÓN DE CONTROL DE FLUJO

(FCV2) LAZO ABIERTO LAZO CERRADO

o vuelta

1 vuelta

2 vueltas

3 vueltas

4 vueltas

5 vueltas

6 vueltas

7 vueltas

8 vueltas

9 vueltas

10 vueltas

VOLTAJE DE CONTROL EN EL MODO DE LAZO

CERRADO

Tabla 8-1. Comparación del control de lazo abierto y de lazo cerrado de la presión.

o 7. Abra gradualmente la Válvula de control de flujo FCV2 girando la perilla de control en sentido antihorario como se indica en la tabla 8-1. Consulte el marcador en la perilla de control para ayudarse a colocar la posición correcta. Para cada ajuste, registre en la celda apropiada la presión indicada por el Manómetro MG2 en la tabla 8-1 .

o 8. ¿Consultando la información en la tabla 8-1, qué relación hay entre la presión indicada por el Manómetro MP2 y el caudal?

o 9. ¿Sus observaciones confirman que el control de lazo abierto de la presión hace posible que se mantenga la presión constante cuando varía el caudal?

o Sí O No

o 10. En la Unidad de acondicionamiento, cierre la válvula principal de clausura.

8-7


8-8

Medición de la presión utilizando el Transductor de presión del quipo didáctico


Nota: No conecte en este momento la salida 0-10 V del conversor [0-5 ~7 ElE del módulo Acondicionadores de señal a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR del Regulador PID.

Tampoco conecte en este momento la salida del amplificador integral al PUNTO DE ADICIÓN del Regulador PID.

D 12. Haga los siguientes ajustes en el Regulador PID:

Rango de la GANANCIA (P) PROPORCIONAL ........... BAJA GANANCIA (P) PROPORCiONAL ................ . .... MíN.

D 13. Encienda la Fuente de alimentación cc y el Regulador PID. No abra en este momento las válvulas de clausura de la unidad de acondicionamiento.

D 14. En el Regulador PID, coloque el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 10,0 V a la salida del PUNTO DE REFERENCIA 1.

Coloque la ganancia proporcional para obtener aproximadamente 12,0 V a la entrada del LlMITADOR.

Coloque el potenciómetro LÍMITE SUPERIOR para obtener 10,0 Va la salida del LlMITADOR.

Coloque los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 para obtener 0,0 V a la salida. del PUNTO DE REFERENCIA 1 , luego seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1.

Coloque la ganancia proporcional en Y2 del MÁX.

D 15. En el Acondicionadores de señal Módulo Acondicionadores de señal, coloque los potenciómetros Z (cero) y S (intervalo) del conversor [0-5 V] ElE de la siguiente manera:

Cero (Z) ................... completamente en sentido horario Intervalo (S) ............. completamente en sentido antihorario

D 16. Cierre la Válvula de control de flujo FCV2 girando completamente en sentido horario la perilla de control.


TRANSDUCTOR DE PRESiÓN ACONDICIONADORES DE SEÑAL

TRANSDUCTOR

VÁLVULA CON CAUDAlÍMETRO DE PRESIÓN SERVOCONTROL ~

DIAGRAMA NEUMÁTICO


FUENTE DE ALIMENTACiÓN DE 24-V CC

DIAGRAMA DE CONEXIÓN

Figura 8-4. Control de lazo cerrado de la presión.

o 17. En la Unidad de acondicionamiento, abra la válvula principal de cierre.

Coloque el regulador de presión principal para obtener 630 kPa (90 psi) en el manómetro de presión regulada.

8-9


8·10

o 18. Conecte un Voltímetro cc a la salida 1-5 V del Transductor de presión.

Con un valor del PUNTO DE REFERENCIA de 0,0 V, la presión indicada por el visualizador del Transductor de presión debe ser aproximadamente O kPa (O psi). ¿Ésta es su observación?

o Sí O No

Nota: Si las unidades de presión indicadas en la parte inferior del visualizador del Transductor de presión no corresponden a su sistema de unidades, consulte el apéndice O para cambiar los ajustes del Transductor de presión.

Registre a continuación el voltaje generado en la salida 1-5 V del Transductor de presión para esa presión.

Voltaje de salida del transductor de presión = __ _

o 19. Conecte el Voltímetro cc a la salida 0-10 V del conversor [0-5 V] ElE en el Acondicionadores de señal Módulo Acondicionadores de señal.

Mientras observa la lectura del voltímetro, gire lentamente en sentido antihorario la perilla del potenciómetro Z (cero) del conversor [0-5 V] ElE hasta que el voltaje alcance 0,0 V.

o 20. Aumente la presión del sistema aumentado el valor del potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 350 kPa (50 psi) en el visualizador del Transductor de presión. Observe que esto causa que aumente el voltaje a la salida 1-5 V del Transductor de presión.

Registre a continuación el voltaje generado a la salida 1-5 V del Transductor de presión para esa presi6n.

Voltaje de salida del transductor de presión = __ _

o 21 . Con el Voltímetro cc conectado a la salida 0-1 O V del conversor [0-5 V] ElE en el Acondicionadores de señal Módulo Acondicionadores de señal, coloque el potenciómetro S (intervalo) de este conversor para obtener 10,0 V en el visualizador del voltímetro.

Control de la presión de lazo cerrado

o 22. Haga los siguientes ajustes en el Regulador PI D:

Rango de la GANANCIA (P) PROPORCIONAL . . ... .. . .. . BAJA GANANCIA (P) PROPORCIONAL ....... . . .. . . . .. 113 del MÁX. GANANCIA (1) INTEGRAL . .............. . ...... V2 del MÁX. INTEGRADOR ANTI-REINICIO .. . .. .. .... . . . . .. . . ... . . . . . I


D 23. Coloque el sistema en el modo de lazo cerrado. Para hacer esto, conecte la salida 0-10 V del conversor [0-5 V] ElE en el Acondicionadores de señal Módulo Acondicionadores de señal a la entrada negativa del DETECTOR DE ERROR.

D 24. En el Controlador PID, conecte la salida del amplificador integral al PUNTO DE ADICiÓN.

Ajuste el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1 para obtener 140 kPa (20 psi) en el visualizador del Transductor de presión.

Registre el valor de la presión en la fila "O vuelta" de la columna de lazo cerrado. Registre también en la celda apropiada el voltaje de control a la entrada 0-10 V de la válvula con servocontrol en la tabla 8-1.

D 25. Abra gradualmente la Válvula de control de flujo FCV2 girando en sentido antihorario la perilla de control como lo indica la tabla 8-1. Para cada ajuste, registre en la celda apropiada la presión indicada en el visualizador del Transductor de presión y el voltaje de control a la entrada 0-10 V de la válvula con servocontrol en la tabla 8-1 .

Nota: Reduzca la ganancia proporcional y/o la ganancia integral si el sistema se vuelve inestable o comienza a oscilar.

D 26. Compare los valores de la presión obtenidos en el modo de control de lazo cerrado con aquellos obtenidos en el modo de lazo abierto.

En el modo de lazo cerrado, la presión debe mantenerse constante por varias vueltas de la apertura de la válvula de control de flujo mientras que aquella comienza a disminuir rápidamente en el modo de lazo abierto. ¿Ésta es su observación?

D Sí D No

D 27. Consultando la información de la tabla 8-1, describa qué ocurre con el voltaje de control de la válvula con servocontrol cuando aumenta la apertura de la válvula de control de flujo en el modo de control del lazo cerrado.

8-11


8-12

Repetitividad del sistema

o 28. Cierre la Válvula de control de flujo FCV2 girando la perilla de control completamente en sentido hcrario y luego abra la válvula cuatro vueltas.

o 29. Ahora pruebe la repetitividad del sistema seleccionado alternadamente los potenciómetros PUNTO DE REFERENCIA 1 Y 2 Y observando el visualizador del Transductor de presión. ¿El sistema es capaz de llegar al mismo nivel de presión (140 kPa (20 psi)) en ciclos sucesivos? Explique.

o 30. Cierre la Válvula de control de flujo FCV2 girando completamente en sentido horario la peril la de control.

En el Controlador PID, seleccione el potenciómetro PUNTO DE REFERENCIA 1.

En la Unidad de acondicionamiento, utilice el regulador principal de presión para disminuir la presión regulada en decrementos de 70 kPa (10 psi) hasta que logre O kPa (O psi). Para cada ajuste de presión, escriba en la tabla 8-2, la presión visualizada en el Transductor de presión.

PRESiÓN REGULADA PRESiÓN DE SALIDA (ENTRADA DE LA VÁLVULA (SALIDA DE LA VÁLVULA

CON SERVOCONTROL) CON SERVO CONTROL)

630 kPa (90 psi)

560 kPa (80 psi)

490 kPa (70 psi)

420 kPa (60 psi)

350 kPa (50 psQ

280 kPa (40 psO

210 kPa (30 psO

140 kPa (20 psi)

70 kPa (10 psi)

O kPa (O psi)

Tabla 8-2. Relación entre la presión de entrada y la presión de salida de la válvula con servocontrol.


o 31 . Consultando la información en la tabla 8-2, explique la relación que usted observó entre la presión de entrada y la presión de salida de la válvula con servocontrol.




CONCLUSiÓN

En este ejercicio, usted controló el sistema de presión con un sistema de lazo abierto y un sistema de lazo cerrado. En un sistema de lazo abierto, la presión disminuyó rápidamente cuando fue aumentada la apertura de la válvula de control de flujo. Usted vio que en el sistema de lazo cerrado, el sistema fue capaz de mantener la presión constante para varias vueltas de la abertura de la válvula de control de flujo.

Usted también vio que el sistema es capaz de llegar al mismo nivel de presión en ciclos sucesivos siempre y cuando la presión de alimentación se mantenga por encima del nivel demarcado por el PUNTO DE REFERENCIA.


1. ¿Cuáles son las ventajas de utilizar una válvula con servocontrol de tipo presión para controlar la presión en un sistema?

2. ¿Qué sucede en un sistema de control de la presión de lazo cerrado cuando existe un error positivo entre el PUNTO DE REFERENCIA Y la presión medida?

8-13


8-14

3. Explique porqué es importante que la presión de alimentación en el puerto de entrada de la válvula con servocontrol se mantenga por encima del nivel demarcado por el PUNTO DE REFERENCIA en todo momento en que el sistema esté funcionando.

4. Describa brevemente la operación del Transductor de presión del equipo didáctico.

P/N

6360

6366

6367

6372

6395

6411

6421

6428

6429

6430

6441

6442

6450

6451

6471

6480

6490

6491-12

6491-A2

Apéndice A

Tabla de utilización del equipo

El siguiente equipo de Lab-Volt se requiere para realizar los ejercicios en este manual.

DESCRIPCiÓN EJERCICIO

EaUIPO 1 2 3 4 5

Fuente de alimentación cc 1 1 1 1 1

Acondicionadores de señal 1 1 1

Regulador PID 1 1 1 1 1

Interruptor fotoeléctrico con reflexión difusa

Transductor de posición 1 1 1

Unidad de acondicionamiento 1 1 1 1 1

Válvula de control de flujo

Válvula de descompresión o Regulador de presión 1 1 1

Válvula con servocontrol 1 1 1 1 1

Válvula con control porporcional accionada por piloto neumático

Cilindro de doble acción 1 1 1 1

Motor bidireccional

Manómetro 1 1 1 1 1

Caudalímetro

Transductor de presión

Dispositivo de carga 1

Tes 1 1 1 1

Tubos 1 1 1 1 1

Cables de conexión 1 1 1 1 1

EQUIPO ADICIONAL

Multímetro

6 7

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

8

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

A-1

Procedimiento de verificación del estado del equipo didáctico

Apéndice B

Instale la superficie de trabajo sobre una mesa o un banco de trabajo, si posee.

Si usted utiliza un banco de trabajo, asegúrese que los frenos de las cuatro ruedas estén asegurados.

En la Unidad de acondicionamiento, cierre la válvula de clausura principal oprimiendo su botón de control.

Hale la perilla de ajuste del regulador para liberarlo y gírela completamente en sentido antihorario.

Cierre las cuatro válvulas de clausura del colector (co"arín en la posición inferior).

8-1

Apéndice e Símbolos hidráulicos y neumáticos

LÍNEAS Y FUNCIONES CONDICIONADORES VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL

LÍNEA PRINCIPAL

-0- CJ]J 2 VíAS / 2 POSICIONES FILTRO O MALLA - - ----- LÍNEA PILOTO

.~----------- LÍNEA DE EXPULSiÓN --y rn O DRENAJE SEPARADOR CON 3 VíAS / 2 POSICIONES

--- CONTORNO DRENADO MANUAL

n ) LÍNEA FLEXIBLE -y- [[[ZJ 4 VíAS /2 POSICIONES SEPARADOR CON DRENADO AUTOMÁTICO

+ + CRUCE DE LÍNEAS

IIII~~I X I 4 VíAS / 3 POSICIONES

+..j..~ UNiÓN DE LÍNEAS -y- FILTRO SEPARADOR

-L ~ UNiÓN DE LÍNEAS CON DRENADO MANUAL ACTUADORES DE VÁLVULA

-1>- DIRECCiÓN DE FLUJO

~ NEUMÁTICO --y- FILTRO SEPARADOR MANUAL CON DRENADO

~ DIRECCiÓN DE FLUJO AUTOMÁTICO HIDRÁULICO ~ PULSADOR

3> ORIFICIO NO -v- k CONECTABLE SECADOR PALANCA

} -r>-- ORIFICIO CONECTABLE

k ---y- PEDAL LUBRICADOR

ACOPLAMIENTOS DE DESCONEXiÓN RÁPIDA

ü=[ MECÁNICO

) I ( SIN VÁLVULA DE RETENCiÓN

CON DOS VÁLVULAS ALMACENAMIENTO DE ENERGíA Y DE FLUíDO c±[ -o+ó- DE RETENCiÓN SEGURO

~ CON UNA VÁLVULA LJ DEPÓSITO ABIERTO DE RETENCiÓN

~ RESORTE

O DEPÓSITO PRESURIZADO

MOTORES Y BOMBAS IT[ 6 SOLENOIDE

ACUMULADOR

O O BOMBAS HIDRÁULICA CARGADO POR GAS

Y NEUMÁTICA ~ PILOTO HIDRÁULICO

O O MOTORES HIDRÁULICO a ACUMULADOR y NEUMÁTICO CARGADO POR ~ PILOTO NEUMÁTICO UNIDIRECCIONALES RESORTE

o o MOTORES HIDRÁULICO

8 ~ SOLENOIDE Y NEUMÁTICO ACUMULADOR

O PILOTO NEUMÁTICO BIDIRECCIONALES CARGADO POR PESO

0 ~ SOLENOIDE

MOTOR ELÉCTRICO -<=>- DEPÓSITO Y PILOTO NEUMÁTICO

Figura C-1. Símbolos hidráulicos y neumáticos.

C-1

C-2

Símbolos hidráulicos y neumáticos

VÁLVULAS DE CONTROL

SíMBOLO SIMPLIFICADO DE LA VÁLVULA DE INTERRUPCiÓN

VÁLVULA DE RETENCiÓN

VÁLVULA DE lÓGICA O

VÁLVULA DE lÓGICA Y

VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO

INSTRUMENTOS Y ACCESORIOS

MANÓMETRO

TERMÓMETRO

CAUDAlíMETRO

PRESOSTATO

SilENCIADOR

GENERADOR DE VAclo

COLCHÓN DE AIRE

VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO CILINDROS

;le

~ ~

~J W

1W' : I : I W __ .J

1J

I VÁLVULA DE AGUJA I V' ¡\ I\!I ~ RESORTE DE yírtrv' RETROCESO

DE SIMPLE ACCiÓN

VÁLVULA DE CONTROL I I DE FWJO I I I LADO SIMPLE

DEL VÁSTAGO DE DOBLE ACCiÓN

VÁLVULA DE CONTROL I I LADO DOBLE

DE FLUJO

I I I DEL VÁSTAGO COMPENSADA DE DOBLE ACCiÓN POR PRESiÓN

v k .vULAS DE CONTROL DE PRESIÓN

VÁLVULA SECUENCIAL ~J HIDRÁULICA

VÁLVULA REDUCTORA ~J DE PRESiÓN HIDRÁULICA

VÁLVULA DE ALIVIO rQ}J DE PRESiÓN HIDRÁULICA

ACCESORIOS DE lÍNEA

VÁLVULA SECUENCIAL NEUMÁTICA

VÁLVULA REDUCTORA DE PRESiÓN NEUMÁTICA

VÁLVULA DE ALIVIO JE PRESiÓN NEUMÁTICA

VÁLVULA DE DE DESCOMPRESiÓN DE AIRE NEUMÁTICA

SíMBOLO COMPUESTO DEL FilTRO, MANÓMETRO, REGULADOR Y lUBRICADOR

SíMBOLO SIMPLIFICADO DEL FilTRO, MANÓMETRO, REGULADOR Y lUBRICADOR

Figura C-2. Símbolos hidráulicos y neumáticos (continuación).

Apéndice O

Ajuste del transductor de presión

~ SMC kPa

Figura 0-1.

Tecla AJUSTE Establece los parámetros de operación.

Visualizador LCD Muestra la presión presente; Muestra el código de error; Muestra la unidad.

SALlDA1 (indicador LEO verde)

LCD

TECLA ARRIBA

TECLA ABAJO

Muestra la condición de operación del interruptor salida 1.

SALIDA 2 (indicador LEO rojo) Muestra la condición de operación del interruptor salida 2 .

.. tecla arriba Se utiliza para cambiar el modo y el valor de ajuste.

T tecla abajo Se utiliza para cambiar el modo y el valor de ajuste.

SELECCiÓN DE LA UNIDAD

Pulse la tecla AJUSTE hasta que aparezca UnL o LoC en el visualizador. Si aparece LoC, pulse T (tecla abajo) hasta obtener UnL. Pulse momentáneamente la tecla AJUSTE para confirmar la selección.

0-1

0-2

Ajuste del transductor de presión

Pulse la tecla AJUSTE hasta que aparezca en el visualizador PA (MPa), PSi (psi), bAr (bar) o GF (kgf/cm2

) . Seleccione la unidad deseada pulsando T (tecla de abajo) hasta que aparezca. Pulse la tecla AJUSTE una vez más para establecer el modo de la salida 1 (NA o NC). Esta selección no es significativa ya que esta salida no está disponible en el Transductor de presión de su equipo didáctico. Pulse la tecla AJUSTE una vez más para establecer el modo de la salida 2 (NA o NC). Esta selección no es significativa ya que esta salida no está disponible en el Transductor de presión de su equipo didáctico. Pulse la tecla AJUSTE una vez más para establecer el tiempo de respuesta. Seleccione un tiempo de respuesta de 2,5 ms pulsando T (tecla abajo) hasta obtener 2,5 en el visualizador LCO. Libere la tecla AJUSTE una vez más para seleccionar el modo de pre ajuste automático o el modo de ajuste manual. Esta selección no es significativa ya que este modo de operación no está disponible en el Transductor de presión de su equipo didáctico. Libere la tecla AJUSTE una vez más para completar el ajuste.

Para evitar una operación equivocada, seleccione el modo bloqueo con el fin de no aceptar la operación de las teclas. Para hacer esto, pulse la tecla AJUSTE por lo menos 4 s, luego seleccione el modo de bloqueo pulsando T (tecla abajo) hasta obtener LoC en el visualizador LCO. Pulse la tecla AJUSTE una vez más para completar el ajuste.

Apéndice E

Factores de conversión

SI a Inglés (multiplique ___ por ___ para obtener ___ )

Área milímetro cuadrado, mm2 0,0016 pulgada cuadrada, in2

centímetro cuadrado, cm2 0,155 pulgada cuadrada, in2

metro cuadrado, m2 10,765 pie cuadrado, ft2

Desplazamiento de un motor centímetro cúbico por revolución, cm3/r 0,061 pulgada cúbica por revolución, (in3/r)

Flujo litro por minuto, I/min 0,035 pie cúbico estándar por min(SCFM),

ft3/min

Fuerza newton, N 0,225 libra fuerza, Ibf

Longitud centímetro, cm 0,39 pulgada, in metro, m 3,281 pie, ft

Masa gramo, g 0,0353 onza,oz kilogramo, kg 2,205 libra, lb

Potencia vatio, W 0,00134 caballo de fuerza, hp

Presión atmósfera, atm 14,7 libra fuerza por pulgada cuadrada

(psi), Ibf/in2

bar 14,5 libra fuerza por pulgada cuadrada (psi), Ibf/in2

kilopascal, kPa 0,145 libra fuerza por pulgada cuadrada (psi), Ibf/in2

millímetro de mercurio, mmHg 0,0197 libra fuerza por pulgada cuadrada (psi), Ibf/in2

milímetro de agua, mmH20 0,00142 libra fuerza por pulgada cuadrada (psi), Ibf/in2

Torque Newton-metro, N·m 8,85 libra fuerza-pulgada, Ibf·in

Velocidad centímetro por minuto, cm/min 0,394 pulgada por minuto, inlmin

Volumen centímetro cúbico, cm3 0,061 pulgada cúbica, in3

E-1

Apéndice F

Cuidado del equipo neumático

Mantenga todos los componentes y el área de trabajo limpios y libres de polvo.

Utilice únicamente tela limpia y libre de pelusas para limpiar o secar las partes de los componentes o para limpiar el polvo y la suciedad proveniente del exterior del sistema.

Opere cada componente una vez par mes para evitar que se atasquen.

El silenciador de la unidad de acondicionamiento debe limpiarse con solventes comunes cada dos meses.

Aplique dos gotas de aceite neumático en la entrada de los tubos de cada componente, tal como se indica en la tabla.

PIN EQUIPO ADICiÓN DE ACEITE

NEUMÁTICO

Cilindro de simple acción 6,4e+11 Cilindro de doble acción En cada uso

Motor bidireccional

6,4e+07 Unidad de acondicionamiento

Cada semana Válvula de control de flujo

F-1

Apéndice G

Nueva terminología

detector de error - Un dispositivo que compara dos o más señales y genera una salida que es la suma matemática de las señales de entrada.

ganancia - La relación de la señal de salida a la señal de entrada.

sistema de control de lazo abierto - Un sistema de control en el cual no se utiliza una señal de realimentación de control. Por lo general esa realimentación la suministra el operador.

sistema de lazo cerrado control - Un sistema de control en el cual se utiliza una señal de realimentación de control para comparar la salida real con la salida deseada y corregir la diferencia.

transductor - Un dispositivo que convierte una señal de entrada en una señal de salida de una forma diferente.

G-1

Bibliografía

Hedges, Charles S., Electrical Control of Fluid Power, Tercera edición, Dalias, Texas: Womack Educational Publications, Department of Womack Machine Supply Company, 1987.

ISBN 0-9605644-9-7

Liptak, Bela G., Instrument Engineers' Handbook: Process Control, Tercera edición, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995.

Shinskey, Greg F., Process Control Sistemas, Tercera edición, NewYork: McGrawHill Inc., 1988.

FLUIDOS SERVOCONTROL DE SISTEMAS NEUMÁTICOS 31977-02 P¡Wnera edición: Junio de 2003 Impreso: Junio de 2003

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