Control de procesos
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PRCTICA N 4: EVALUACIN DEL MDULO DE CONTROL DE TEMPERATURAControlador PIDPrecisin y Eficiencia en el control y en el Manejo de energa Trmica
1. RESUMEN EJECUTIVO:2. INFORMACIN BSICA: A. Introduccin y Antecedentes:B. Objetivo General:
Evaluar el funcionamiento del circuito de control del mdulo Bao de Temperatura para determinar la precisin y efectividad de los elementos de control (sensor, actuador, controlador), y la eficiencia en el manejo trmico.
Objetivos Especficos:
1. Determinar experimentalmente el nivel de correspondencia entre el set point, el controlador, y el sensor del mdulo Bao de Temperatura, en el rango de temperatura requerido. 2. Determinar la eficiencia trmica entre el Generador de agua caliente y el tanque emulsificador donde se requiere una determinada temperatura en el reactor. 3. Plantear los ajustes necesarios para mantener las operaciones bajo control.
Esquema del Mdulo
C. Bases Tericas:
Controles de Temperatura de Lazo Simple: Este tipo de control, compara la seal del sensor con una seal interna deseada (set point), y ajusta la salida del dispositivo calefactor para mantener, tan cerca como sea posible, el equilibrio entre la temperatura medida y la temperatura deseada. La seleccin de tipo control de temperatura adecuado para una aplicacin dada, depende del grado de control requerido.
Control SI/NO (ON/OFF):
Es la forma ms simple de control. Trabaja como el termostato del hogar, o sea la salida del control es 100 % SI o 100 % NO. La sensibilidad del control sino (tambin llamado "histresis" o "banda muerta") se disea de modo que la salida no cambie de si a no demasiado rpido. Si el rango de histresis es muy angosto, habr una conmutacin demasiado rpida que se conoce como traqueteo. Este traqueteo hace que los contactos de los contactores y elementos calefactores tengan una vida ms corta. Entonces la histresis deber ajustarse de modo que haya un retardo suficiente entre los modos "si" y "no". Debido a la necesidad de esta histresis habr siempre lo que se llama "overshoot" y "undershoot". El "overshoot" es la magnitud en que la temperatura rebasa a la del setpoint, el "undershoot" es lo contrario. Vea la figura 1a. Debido a la histresis necesaria, esta oscilacin de temperatura estar siempre presente, la magnitud de esta oscilacin depended de las caractersticas del sistema trmico en cuestin.
Control Proporcional:
En este tipo de control la salida depende directamente del error. Se define como error a la diferencia entre el valor real o Medido y el valor de consigna o Set Point correspondientes a la variable del proceso que se est controlando.
Donde:
E = Error M = Medicin (Valor Real) SP = Set Point (Valor Consigna). En el control proporcional la relacin entre la salida y el error es proporcional o lineal.
Donde:
Sp = Salida ProporcionalKp = Ganancia Proporcional E = Error
La ganancia Kp es un parmetro que es ajustable en los controladores industriales. Usualmente se emplea en lugar de la ganancia proporcional Kp otro parmetro llamado Banda proporcional (BP) la cual se define como l % del error que produce el 100% de la salida.
Se puede ver la relacin entre estos dos parmetros en la siguiente grfica
Control Integral: El modo de control Integral tiene como propsito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral acta cuando hay una desviacin entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviacin en el tiempo y sumndola a la accin proporcional.
El error es integrado, lo cual tiene la funcin de promediarlo o sumarlo por un perodo determinado; luego es multiplicado por una constante Ki o Ganancia integral. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propsito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario.
La ecuacin para el controlador PI sera:
Esta es una de las razones de por qu los controladores PI son tan comunes:
Control PID:
Un refinamiento adicional consiste en dotar al controlador de una capacidad anticipativa utilizando una prediccin de la salida basada en una extrapolacin lineal.
Esto se puede expresar matemticamente como:
La accin de control es as una suma de tres trminos que representan el pasado por la accin integral del error (el trmino-I), el presente (el trmino-P) y el futuro por una extrapolacin lineal del error (el trmino-D).
El trmino es una prediccin lineal del error Td unidades de tiempo en el futuro. Los parmetros del controlador se llaman: ganancia proporcional K, tiempo integral Ti, y tiempo derivativo Td.
Se ha comprobado empricamente que el controlador PID es capaz de resolver un amplio espectro de problemas de control. Hay controladores ms complejos que difieren del controlador PID porque utilizan mtodos ms sofisticados para la prediccin.
D. Identificacin y Anlisis de variables:E. Presentacin de los modelos matemticos a emplear y del algoritmo correspondiente:
F. Materiales y equipos:
Mdulo de Control de Temperatura Termocupla Termmetro Probeta de 500 Cinta Mtrica Jarra de 2 lt Agua lquida Cronmetro
Procedimiento Experimental:
1. Observar los materiales y equipos. 2. Elaborar un esquema detallado del mdulo (Para presentar en el informe). 3. Familiarizarse con el manejo de los instrumentos en funcin de los objetivos de la prctica. 4. Llenar el Tanque Bao a un nivel predeterminado. 5. Establecer el Set point. 6. Una vez alcanzada la temperatura en el Bao, conectar bomba para llevar agua caliente al emulsificador. 7. Lograr estado estacionario en el sistema con el tanque emulsificador vaco. 8. Llenar el tanque del emulsificador y evaluar calentamiento. 9. Cuidar en todo la seguridad en la operacin.
G. Diseo de Experimentacin:
Tabla 1
Tiempo (min)Temp. del sensor controlador
016
0,5817
5,3320
0,1727
14,3333
16,1335
17,7737
20,6537
22,3336
24,1533
25,4233
27,1734
28,1734
30,1736
32,0037
34,0037
36,1736
38,0737
42,3336
45,0035
47,0035
49,6735
54,5334
56,0034
3. Resultados:Esta dinmica de temperatura ya est inscrita en otra.
Tabla 2
Tiempo (min)Temperatura del Sensor Externo
Termmetro
019
0,5820
5,3328
10,0039
14,3347
16,1350
17,7753
25,4243
27,1745
28,1747
30,1748
32,0050
34,0049
36,1748
38,0747
42,3346
45,0046
47,0045
49,6745
54,5343
esta tambienesta tambin.Tabla 3
Tiempo (min)Temperatura del Sensor Externo
Termocupla
018
0,5820
5,3327
10,0037
14,3345
16,1349
17,7752
23,3341
24,1540
Esta si puede resultar tilpor separado, si se muestra con su tabla para interpretar.Tabla 4
Tiempo (min)% actuador
00tiempo muerto
0,39100se enciende
17,80se apaga
28,2100se enciende
320se apaga
56100se enciende
En la fig(siguiente) se representa el comportamiento de la variable controlable (Temperatura del agua de calentamiento) en el tiempo. La variable de proceso va estabilizndose hacia el set point, objetivo que se logra a los 45 minutos aproximadamente. Sin embargo se ve de nuevo inestabilidad a los 50 minutos. Se representa tambin las temperaturas medidas con instrumentos externos al sistema de control (termmetro y termocupla) y una curva cualitativa para el comportamiento del actuador. Comportamiento del circuito: Figura 5: Comportamiento de la Temperatura en funcin del Tiempo
Tabla 5
Temp de sensor controlador (C)Temperatura del Sensor ExternoError sensor y termmetro (Ttermmetro - Tsensor)
Termmetro
16193
17203
20288
273912
334714
355015
375316
334310
344511
344713
364812
375013
374912
364812
374710
364610
354611
354510
354510
34439
Tabla 6
Temp de sensor controlador (oC)Temperatura del Sensor ExternoError sensor y termcupla (Ttermocupla - Tsensor)
Termocupla
16182
17203
20277
273710
334512
354914
375215
33407
4. Resultados:
5. Discusin:6. Conclusiones:7. Anexos: