Universidad Simón Bolívar

Núcleo del Litoral Departamento de Tecnología Industrial

TI-2284. Laboratorio de Sistemas de Control

PRACTICA 7a. Introducción a las plantas del laboratorio de Sistema de

Control

Control de Presión

Descripción de la Planta:

Esta planta está compuesta por dos módulos, El módulo G35 y el

Módulo TY35, los cuales se describen a continuación, Ver figura 1.

Figura 1: Módulo G35.

En la parte superior derecha se encuentran ubicados los bornes para la

conexión de los voltajes de polarización requeridos por el módulo G35. A

la derecha se localizan los bornes para la conexión de la unidad

TY35/EV.

• Set Point: Este bloque genera la señal de SET POINT o de

referencia, la cual puede ir de 0 hasta 8V. Como puede verse en

la figura 2, esta etapa está constituida por R1, R2, RV1, C1 y el

circuito regulador Z1, el cual suministra la tensión estabilizadora de

referencia de 8V requerida en la etapa “CONDITIONER”.

Figura 2: Set Point.

• Amplificador de Error: El bloque “Error Amplifier” está constituido

por el circuito de la figura 3. Como se puede observar, está

constituido básicamente por un amplificador operacional en

configuración diferencial. Su finalidad es generar una señal de

Error durante el proceso en malla cerrada, por esta razón se

conecta a una de las entradas del amplificador la señal de

referencia (salida del bloque SET POINT) y a la otra entrada, la

señal de realimentación (salida del bloque CONDITIONER).

Figura 3: Diagrama del circuito “Error Amplifier”

• Controlador PID: Esta etapa realiza las acciones de control

proporcional, integral y derivativa en el proceso cuando se opera

en Lazo Cerrado. El componente activo que se utiliza para realizar

dichas acciones está constituido por un amplificador operacional

en configuración inversora. El efecto de la acción de control

proporcional se tiene cuando se varía el valor de P1, provocando

un aumento en la ganancia y disminución de la señal de error. La

acción de control integral está realizada por las resistencias R1 y

R7 y los capacitores C4, C5 y C6, los cuales pueden conectarse

uno a la vez o en combinación, variando así la constante de

tiempo de la acción integral. Al integrar la señal de error puede

llegar a obtenerse una condición de error nulo, con la desventaja

de poner al sistema en una condición de oscilaciones

permanentes o amortiguadas. La acción de control derivativa

está realizada por las resistencias R2 y Req y los capacitores C1,

C2 y C3. En este caso también pueden conectarse uno a la vez o

en combinación. Esta acción tiene el inconveniente de generar

una salida nula cuando hay un error constante diferente de cero,

razón por la cual nunca se le utiliza sola, sino en combinación con

la integral y/o la proporcional. La razón de utilizar esta acción de

control se debe a que el efecto de ésta, logra estabilizar

nuevamente al sistema que resulta inestable a causa del efecto

de la acción proporcional y/o integral.

Figura 4: Diagrama del Circuito de control PID.

• Amplificador de Potencia para la Válvula Proporcional. La señal

de entrada que se conecta a este bloque es utilizada para

generar la señal que gobernará al transistor T1, cuya función es la

de regular la corriente que fluye en el transistor T2 y por lo tanto en

la válvula proporcional (PROP VALVE). Así, al valor de la corriente

de la base de T1 quedarán vinculadas tanto la corriente del

colector como el voltaje de la base de T2 y la caída de voltaje

sobre las resistencias R8 y R9.

Figura 5: Diagrama del circuito del Amplificador de Potencia.

• Acondicionador del Transductor de Presión: Para medir la presión

de la unidad TY35/EV, se utiliza un transductor de presión con

cuatro “Straingates” (extensímetros) conectados a modo de

puente de Wheatstone. Una de las diagonales del puente se

alimenta con el voltaje de referencia de 8 V (Vref) generado por

el bloque “Set Point”. La diagonal opuesta del puente suministra la

tensión de medida, la cual es proporcional a la presión del

depósito de la unidad TY35/EV. Dicha tensión es filtrada y

amplificada por el amplificador operacional IC1. La salida de IC1

se conecta a la entrada inversora de IC2, cuya ganancia está

dada por la relación (R8+RV2)/R5. La señal proveniente del grupo

R6, R7 y RV1 sirve para ajustar la señal de salida de IC2 en 0V

cuando se tiene una presión nula.

Figura 6:Diagrama del Acondicionador de Señal.

• Unidad TY35/EV

Figura 7: Unidad TY35/EV

• Motor: Se localiza en la parte izquierda anterior del módulo TY35,

se alimenta del voltaje de línea (127 Volts alterna) y su función es

accionar el compresor.

• Válvulas: a) Válvula proporcional. Se localiza en la parte superior

derecha, se encarga de mantener en la planta una presión fijada

por el valor de referencia. b) Válvula auxiliar. Se encuentra en la

parte superior derecha, en color rojo, como su nombre lo dice,

ésta solo debe usarse cuando la presión en el deposito aumente

en forma drástica (debido a una mala conexión en el sistema

controlador) , su activación es manual, y es responsabilidad del

alumno activarla si surge esta condición. c) Válvula de Seguridad.

Está diseñada para activarse cuando la presión en el interior del

depósito sea mayor a 2 bares, cuando esto suceda, desconecte

el motor de la línea de alimentación y accione la válvula auxiliar

para descargar la presión.

Control de Velocidad

Descripción de la Planta: El sistema consta de dos módulos, el módulo

G36A y el módulo TY36A/EV, los cuales se describen en esta sección

presentando una breve explicación de cada uno de ellos.

El módulo G36A, que lleva el nombre de Control de Velocidad y

Posición con Transductores (“Speed & Position Control with Transducer”),

es un sistema muy útil para estudiar el comportamiento teórico

experimental de las técnicas básicas de control aplicadas a la

regulación de la velocidad angular de un motor de corriente continua.

Como se observa en la figura 8, este módulo se compone a su vez de un

conjunto de diez bloques, los cuales realizan cada uno una función

específica. Además, muestra las conexiones que unen a los diferentes

bloques, así como los puntos de medición. En la parte superior derecha

muestra los bornes de conexión con los diferentes voltajes de

alimentación. A la derecha del módulo se encuentran dos bornes para

la conexión al motor de corriente directa y una base de 8 polos para el

conductor procedente del transductor ubicado en el módulo TY36A/EV.

Figura 8: Módulo G36A.

• Set point: Este bloque, denominado “Set Point” o módulo de

entrada de referencia tiene la finalidad de proporcionar la señal

de entrada al circuito. En el circuito mostrado, Z1 y Z2 son

reguladores de tensión variable (junto con RV1 y RV2). Con el

potenciómetro P1 se regula el valor de la tensión de salida de este

circuito la cual servirá como señal de referencia del sistema de

control.

Figura 9: Diagrama del circuito de la entrada de referencia.

• Amplificador de error: Este bloque realiza la comparación entre el

valor de entrada, proveniente del “Set Point” y el valor obtenido a

la salida del sistema, con el objeto de generar la señal de error.

(E). El módulo G36A cuenta con dos bloques de este tipo (“ERROR

AMPLIFIER 1” y “ERROR AMPLIFIER 2”), cuyo diagrama se muestra

en la figura 10. El circuito está constituido básicamente por un

amplificador operacional en configuración diferencial, cuya

salida es el resultado de la diferencia de las dos entradas

presentes afectada por la razón R4/R1. El potenciómetro RV1 sirve

para poner el offset del amplificador operacional en el nivel de

cero.

Figura 10: Diagrama del amplificador de error.

• Controlador PID: Este bloque proporciona un controlador versátil

que puede tomar las configuraciones P, I o D por separado, o

bien un control combinado de ellos mediante el puenteo de

algunos bornes específicos, ver la figura 11.

Figura 11: Diagrama de bloques del Controlador PID.

• Limitador de corriente: La función de esta etapa es la de limitar la

corriente del motor que se encuentra en el módulo TY36A/EV.

Opera de la siguiente manera: se envían las tensiones

provenientes de los extremos de las resistencias R1 y R2 que

representan la corriente que circula por ambas ramas del puente

a la entrada del amplificador operacional (IC1) conectado en

configuración diferencial. Por lo tanto, la tensión de salida de IC1

será proporcional a la corriente que circula por el motor y

conjuntamente con la señal proveniente de la salida del

controlador PID se envía a la entrada del segundo amplificador

operacional (IC2), cuando la corriente supera el límite máximo

fijado por RV2 la señal de corriente se hace igual a la proveniente

del controlador PID y el motor se detiene ya que la diferencia es

nula.

Figura 12: Diagrama del Limitador de Corriente.

• Acondicionador del tacogenerador de directa: Para evitar que la

constante del tacogenerador sufra variaciones al cargarse

demasiado al tacogenerador, se utiliza un amplificador IC1 en

configuración seguidor de tensión formando así un limitador que

sirve para evitar este inconveniente. Mientras que el capacitor C1

funciona como filtro, cuya función es la de limitar la influencia de

la ondulación residual. Este tipo de transductor proporciona una

tensión de salida continua de valor proporcional a la velocidad

angular, que se adapta mejor a los demás módulos, su esquema

se muestra en la figura 13.

Figura 13: Diagrama del acondicionador de señal del Tacogenerador de

Directa.

• Detector de velocidad: Este transductor que se basa en la

reacción de armadura del motor de corriente continua que se

encuentra localizado en el módulo TY36A/EV. Como se observa

en la figura 14, este bloque usa dos amplificadores operacionales

IC1 e IC2. IC1 se utilizado en configuración diferencial siendo su

salida proporcional a la diferencia de los niveles A y B, el factor de

proporcionalidad es R9 / R1. IC2 está conectado también en

configuración diferencial. Con E como la entrada que procede

del limitador de corriente y que representa el valor de la corriente

del motor. A través de RV1 puede variarse la ganancia de IC2, de

manera que a una cierta velocidad angular corresponda una

tensión bien determinada, dada con la siguiente expresión

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

...40008

mprvoltsG

Figura 14: Diagrama del acondicionador de señales para el tacogenerador de

alterna.

• Medidor digital de RPM´s: La señal suministrada por los

transductores fotoeléctricos de regulación necesita para poder

ser visualizada en algún indicador (display), es necesario utilizar un

convertidor de frecuencia a voltaje o sino utilizar un

frecuencímetro digital o un contador. En este módulo se utiliza un

contador digital porque tiene la ventaja de proporcionar una

indicación muy precisa. De la figura 15 se observa que el

componente denominado OC1 contiene un conjunto constituido

por un fotodiodo y un fototransistor, que genera una señal de

impulsos proporcional a la velocidad de rotación. De ahí la señal

lleva a la entrada del contador (IC4 MM74C926) que consta de

un contador de cuatro cifras decimales y de un registro en el que

pueden almacenarse los contenidos del contador. Las salidas son

capaces de controlar un display de siete segmentos. Además

cuenta con un temporizador (IC2) que proporciona el intervalo de

tiempo durante el cual se realiza el recuento de los impulsos, al

final d este tiempo se generan dos señales, una que permite a los

datos de las salidas del contador trasladarse al origen de salida , y

otra que lleva a cero el contenido de los contadores.

Figura 15: Diagrama del acondicionador de señal del transductor digital.

• Acondicionador de señal del transductor de posición: Como en

los transductores de velocidad el transductor de posición requiere

también de una etapa para acondicionar la señal del transductor

y que esta sea útil para poderse usar. Este circuito amplifica la

señal del potenciómetro de tal manera que la tensión sea -8 V

cuando el ángulo sea 0º y de +8 V cuando el ángulo sea 360º.

Como se observa en la figura 16, el cursor del potenciómetro llega

a la entrada no inversora del amplificador operacional siendo

esta una tensión proporcional a la posición. Los componentes R3 y

C1 constituyen un filtro de paso bajas cuya función es la de

eliminar eventuales disturbios debidos al movimiento del cursor. El

amplificador está en una configuración no inversora con

ganancia igual a

112 /)(1 RRVRG ++=

regulando el trimer RV1 se puede lograr una tensión de ± 8 V para

un ángulo comprendido entre 0º y 360º.

Figura 16: Acondicionador de Señal del traductor de Posición.

• Amplificador de potencia “PWM & Power Amplifier”: El esquema

del amplificador de potencia se muestra en la figura 17. Está

constituido por un puente H realizado por 4 MOS-FET de potencia.

La configuración del puente permite que el movimiento sea

bidireccional. Los diodos D1 a D4 sirven para proteger a los MOS-

FET en caso de que se apliquen tensiones peligrosas, cuando

conmutan al estado “OFF” y bloquean la corriente que circula por

el motor, por otra parte los diodos Zenner Z1 a Z4 hacen que las

tensiones de alimentación de la compuerta no sobrepasen los

límites máximos tolerables de los dispositivos utilizados. Los

transistores T5 a T10 se utilizan como excitadores de las entradas

de los MOS-FET.

Figura 17: Amplificador de Potencia.

La potencia aplicada al motor se regula con el dispositivo

nombrado PWM, que a la salida genera una onda cuadrada

cuyo ciclo de trabajo depende de la comparación entre una

señal diente de sierra y una tensión variable según sea el valor de

la salida. Observe que se genera también una señal PWM con

ciclo de servicio variable, así como la tensión complementaria

PWM, de este modo la potencia aplicada depende de la relación

entre el tiempo en el que conduce una de las ramas y el tiempo

en el que conduce la otra. En el módulo se encuentra también un

circuito fijador (CLAMP CIRCUIT), el cual tiene la función de

proteger a la fuente de alimentación de los picos producidos por

las conmutaciones de tensión en el motor, cuando este último

funciona como generador haciendo que la energía almacenada

se descargue en dicha fuente a través de los diodos. Para que

este último circuito tome parte del proceso se tienen que unir los

Bornes 26 y 27.

Control de Temperatura Módulo G34

Descripción de la Planta: se utiliza un sistema que consta de dos

módulos, el módulo G34 y el módulo TY34/EV los cuales se describen en

esta sección presentando una breve explicación de cada uno de ellos.

Figura 18: Módulo G34.

Como se observa en la figura 18, este módulo se compone a su vez de

un conjunto de ocho bloques, que representan a otros tantos circuitos

electrónicos los cuales realizan cada uno una función muy concreta.

Dicha figura muestra también las conexiones que unen a los diferentes

bloques, así como los puntos de medición.

• Set point: Este bloque, denominado “Set Point” o módulo de

entrada de referencia tiene la finalidad de proporcionar la señal

de entrada al sistema. Como puede observarse en la figura 19 la

etapa está constituida por R1, R2, R3, RV1, C1 y por el circuito

regulador Z1, el cual es un TL430 igual al que se usa en el

acondicionar de señal del transductor de semiconductor STT

(Silicon Temperature Transducer). En la salida de esta etapa

compuesta por P1 y RV2 se obtiene la señal de referencia que

puede ir de 0 a 8 V.

Figura 19: Diagrama del circuito de la entrada de referencia.

• Amplificador de error: El amplificador de error cuyo diagrama se

muestra en la figura 20, se encarga de realizar la comparación

entre el valor de entrada, proveniente del “Set Point” y el valor

obtenido a la salida del sistema, realimentación, con el objeto de

generar la señal de error. (E). Este bloque se encuentra constituido

por un amplificador operacional en configuración diferencial,

cuya salida es el resultado de la diferencia de las dos entradas

presentes afectada por la razón R4/R1.

Figura 20: Diagrama del Amplificador de Error.

• Controlador PID: Este bloque proporciona un controlador versátil

que puede tomar las configuraciones P, I o D por separado, o

bien un control combinado de ellos mediante el puenteo de

algunos bornes específicos. Este bloque se muestra en la figura 21.

Figura 21: Diagrama de bloque del controlador PID.

• Acondicionador del transductor de semiconductor (STT): Debido a

que el transductor utilizado es de tres hilos, se ha adaptado un

amplificador diferencial para minimizar el valor resistivo de los

alambres del transductor. El equipo está provisto también de un

indicador de sobre-temperatura, de este modo cada que se

rebase la temperatura de 150 ºC se encenderá un indicador y a

se tendrá que apagar la fuente de calor donde se encuentra el

transductor. Este acondicionador de señal proporciona un rango

de voltajes entre 0 y 8 V que corresponden a rangos de

temperatura entre 0 y 150 ºC respectivamente y como la salida

del transductor debe ser lineal entonces la constante de

proporcionalidad que se obtiene de la relación entre el voltaje y

la temperatura es:

Figura 22: Diagrama del Acondicionador del Transductor de Semiconductor.

cte de proporcionalidad = 53.3 mV/ºC

• Acondicionador de señal del transductor de termo–resistencia

(RTD Resistance Temperature Detector): Es el acondicionador de

señal de transductor que se basa en una resistencia que es

sensible a la temperatura (termo-resistencia). El acondicionador

de señal de este transductor logra obtener una rango de tensión

entre 0 y 8 V correspondiente a un rango de temperaturas entre 0

y 250 ºC. La figura 23 muestra el circuito eléctrico de este

acondicionador de señal.

Figura 23: Acondicionamiento de señal del transductor de termo-resistencia.

• Acondicionador de señal del transductor de termopar: La función

de este acondicionador, es la de elevar la tensión de salida y

hacer una compensación de la unión fría del termopar. A

temperatura ambiente, la fem termoeléctrica que genera el

transductor es del orden de milivolts, por ello es necesario tomar

precauciones en el acondicionador de señal para impedir que las

perturbaciones, como el ruido, puedan llegar a alterar la

medición correspondiente. El esquema eléctrico del

acondicionador de señal de este transductor se presenta en la

figura 24. El amplificador IC1 que recibe la señal enviada por el

termopar cuenta con un bajo desplazamiento térmico (drift) y

una baja desviación permanente (offset), además, para su mejor

funcionamiento se le agrega a este circuito una etapa de

filtración realizada por el condensador C1, reduciendo de esta

manera problemas de ruido. Por su parte el circuito IC2 realiza la

compensación de la unión fría, para esto utiliza un diodo de silicio

(D1) como elemento termosensible cuya función se amplifica

apropiadamente por IC2. Se utiliza un diodo debido a que su

relación voltaje-corriente depende de la temperatura, con una

polarización adecuada, las variaciones de las características del

diodo coincidirán con las causadas por las variaciones de la

temperatura de la unión fría. Las tensiones provenientes de los dos

bloques anteriores llegan a la entrada de una etapa constituida

por el circuito IC3 en configuración sumador, la cual proporciona

una señal de salida lista para utilizarse, esta señal se puede

apreciar en el borne 33. Debido a que el rango de temperaturas

de 0º a 250ºC corresponde en forma lineal con un rango de

voltajes de 0 a 8 V, la constante de proporcionalidad que se

obtiene de la relación entre el voltaje y la temperatura es:

cte de proporcionalidad = 32 mV/ºC

Figura 24: Acondicionador de señal del transductor de termopar.

• Termómetro digital: El módulo G34 cuenta con un termómetro

digital que tiene la finalidad de poder contar con una lectura de

la temperatura durante el desarrollo de las prácticas

correspondientes.

• Amplificadores de potencia para el calefactor/enfriador: Esta

etapa se encarga de proporcionar una ganancia en corriente a

la señal de control que alimenta el calefactor o el enfriador.

Consta de dos etapas independientes una que se encarga de

amplificar la corriente alterna para la resistencia calefactora y

otra para el ventilador de enfriamiento. Para la resistencia

calefactora se utiliza un TRIAC como elemento básico al cual se le

controla su ángulo de disparo, esto se logra comparando la señal

de control de entrada a esta etapa con una señal diente de

sierra sincronizada con la frecuencia del sistema, de aquí se

genera la señal de disparo que finalmente se envía a la

compuerta del TRIAC, de esta manera el ángulo de conducción

del TRIAC varía en forma proporcional a la magnitud de la señal

de control de entrada. Por lo que respecta al amplificador de

corriente para el enfriador se utiliza un comparador cuya función

es detectar niveles negativos de la señal de control para activar

el enfriador. Toda esta etapa se alimenta a través de la señal de

control de entrada en el borne 11 y sus correspondientes salidas

se tienen en dos pares de bornes identificados como “HEATER” y

“COOLER” respectivamente según se observa en la figura 25 de

esta etapa.

Figura 25: Amplificador de Potencia.

En el módulo TY34/EV se encuentran ubicados los transductores así

como la resistencia calefactora y el ventilador de enfriamiento como se

muestra en la siguiente figura.

Figura 26: Módulo TY34/EV.

Control de Temperatura Módulo Lab-Volt 3521

Descripción de la Planta:

Esta planta está compuesta el módulo de Lab-Volt 3521 el cual se

describe a continuación, Ver figura 27.

Figura 27: Equipo didáctico para el control de temperatura Lab-Volt 3521.

Este equipo está compuesto por una serie de bloques funcionales, que

en general se pueden separar en lo que es el proceso con sus

respectivos transmisores; lo que es el controlador PID; los voltímetros, la

sección de alarma y por último las fuentes y los generadores de señales.

Proceso de temperatura: En cuanto al proceso este es de tipo térmico

en donde se suministra una cantidad de energía controlada al

calefactor el cual trasmite la energía térmica a un radiador (el cual se

puede ver a través de la reja frontal).

Transmisión de Temperatura: La temperatura del radiador es medida

con un termopar tipo J el cual se introduce por una abertura que se

encuentra en la parte superior del equipo; este termopar se conecta al

transmisor de temperatura, el cual procesa la señal y la adecua para

que se pueda ver su valor en la pantalla y para que pueda

realimentarse al resto del sistema de control a través de la salida, la cual

se puede ajustar de manera que se genere una señal de 0 a 5 V

cuando la temperatura se encuentra en un valor mínimo y hasta cierto

margen de variación; esto se logra con los ajustes cero y rango.

Figura 28: Transmisor de temperatura.

Comparador de Histéresis: La señal de entrada del proceso y por la cual

se ejecuta el control tiene su lugar de inserción en la entrada positiva

del comparador de histéresis (la entrada negativa es para el generador

de onda triangular), la salida del comparador de histéresis se conecta a

la entrada de control del relé de estado sólido, este tendrá como

función llevar una alimentación intermitente al calefactor, esto con el fin

de manejar la inercia de calor que se pueda transmitir al radiador.

Figura 29: Comparador de histéresis.

Ventilador y Calefactor: El ventilador tiene tres posiciones de

funcionamiento, las cuales permiten que el ventilador tenga tres

velocidades (alta, baja y parado). Algo similar sucede con el calefactor,

aquí se puede ajustar la potencia que se suministra al mismo en dos

posiciones que permiten que el calefactor se encuentre bajo una

potencia alta o una potencia baja de operación. Estas condiciones que

nos dan la posibilidad de cambios en las condiciones de operación del

sistema se usan como perturbaciones.

Figura 30: Etapa de ventilador y calefactor.

El controlador PID: puede tener varias configuraciones, tiene capacidad

de funcionamiento como controlador PID ideal y como PID serie. Para

ajustar las constantes del controlador se calibrará cada una de las

ganancias (Proporcional, Integral y Derivativa) según corresponda para

cada práctica y utilizando el método que se describe en las mismas.

Figura 31: Etapa del controlador PID.

Los voltímetros CC: sirven para lograr el ajuste y medición de cualquier

variable involucrada según corresponda; las fuentes CC1 y CC2 sirven

para ajustar valores de referencia del proceso y para generar cambios

escalón en la entrada del lazo.

Los valores de entrada y salida de la planta y del PID corresponden a

valores estándar de voltaje en sistemas de control de Lab-Volt, esto es,

el rango de variación va de 0 a 5 V; por lo que se puede usar alguna

interfaz para ejercer control de la planta mediante algún elemento de

control externo, como puede ser algún programa de simulación o algún

controlador discreto; o bien, controlar alguna planta externa mediante

el controlador PID del módulo.