Controladores PID neumáticos

7/22/2019 Controladores PID neumticos

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Controladores PID neumticos

Muchos controladores PID neumticos utilizan el equilibrio de fuerzas principio. Uno o ms seales de entrada (en

forma de presiones neumticas) ejercen una fuerza sobre una viga actuando a travs de los diafragmas, fuelles, y / o

tubos Bourdon, que es entonces contrarrestar en forma por la fuerza ejercida sobre el mismo por un haz de salida de

aire presin que acta a travs de un diafragma, fuelle o tubo de Bourdon. El sistema mecnico de equilibrio

"intenta" mantener el haz inmvil a travs de un balance exacto de las fuerzas, la posicin del haz detectada con

precisin por un mecanismo de boquilla / deflector.

A lo largo de esta seccin voy a hacer referencia a un mecanismo de control neumtico de mi propio diseo. Este

mecanismo no se corresponde directamente a un fabricante o modelo de controlador neumtico en particular, pero

comparte caractersticas comunes a muchos. Este diseo se muestra aqu con el propsito de ilustrar el desarrollo de

las acciones de control D P, I, y en un contexto tan simple como sea posible:

La accin de este controlador en particular es directa , ya que un aumento en la seal de variable de proceso

(presin) resultados en un aumento de la seal de salida (presin). El aumento de la presin variable de proceso (PV)

intenta empujar el extremo de la derecha de la viga, haciendo que el deflector de acercarse a la boquilla. Este

bloqueo de la boquilla provoca contrapresin neumtica de la boquilla para aumentar, aumentando as la cantidadde fuerza aplicada por el fuelle de realimentacin de salida en el extremo de la izquierda de la viga y la devolucin

del aleta (casi) a su posicin original. Si quisiramos revertir la accin del controlador, lo nico que tendramos que

hacer es intercambiar las conexiones de seal neumtica entre el fuelle de entrada, por lo que la presin PV fue

aplicada a los fuelles superiores y la presin SP a los fuelles inferiores. Cualquier factor que influye en la relacin

entre la presin de entrada (s) a la presin de salida puede ser explotado como una ganancia (banda proporcional)

de ajuste en este mecanismo. Cambio de rea de fuelle (ya sea tanto en el PV y SP fuelle igualmente, o la salida de

fuelle por s mismo) influira en esta relacin, como lo hara un cambio en la salida de la posicin de fuelle (de tal

manera que presiona contra el rayo a cierta distancia diferencia desde el punto de fulcro) . Al mover el punto de

apoyo izquierdo o derecho es tambin una opcin para hacerse con el control, y de hecho suele ser la ms

conveniente para el ingeniero.

Modos automticos y manuales


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Un mecanismo de control proporcional neumtico ms prctico se muestra en la siguiente ilustracin, completo con

punto de ajuste y los ajustes de sesgo, y un modo de control manual:

Transferencia "sin saltos" entre los modos automtico y manual se lleva a cabo por el operador humano prestaratencin al indicador de balance revelar ninguna diferencia de presin de aire entre el fuelle de salida y el ajuste de

salida del regulador de presin. En el modo automtico, el cambio a modo manual consiste en ajustar el regulador

hasta que el indicador de balance registra diferencia de presin cero, a continuacin, cambiar la vlvula de

transferencia en la posicin "manual". La salida del regulador es a continuacin, en el mando directo de ajustar la

salida del regulador de presin, y no responder a los cambios en cualquiera de PV o SP. "Sin choques" de volver al

modo automtico requiere que sea el resultado o los reguladores de presin de consigna se ajustan hasta que el

indicador de equilibrio una vez ms registra diferencia de presin cero, a continuacin, cambiar la vlvula de

transferencia en la posicin "auto". La salida del controlador, una vez ms responder a los cambios en PV y SP.

Acciones derivadas e integrales

Curiosamente, derivada (velocidad) y los modos de control integral (reset) son relativamente fciles de agregar a

este mecanismo de control neumtico. Para agregar la accin de control derivativa, todo lo que necesitamos hacer

es colocar una vlvula limitadora entre el tubo de la boquilla y el fuelle de realimentacin de salida, haciendo que el

fuelle para retrasar el llenado o vaciado de su presin de aire a travs del tiempo:


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Si se produce cualquier cambio repentino en PV o SP, la presin de salida se saturar antes de que el fuelle de salida

tiene la oportunidad de igualar la presin con el tubo de seal de salida. Por lo tanto, la presin de salida "picos" con

cualquier "cambio de ritmo" repentino de entrada: exactamente lo que esperaramos con la accin de control

derivativa.

Si bien el PV o las rampas de SP a travs del tiempo, la seal de salida se elevar en proporcin directa (accin

proporcional), pero habr tambin ser un aadido de compensacin de la presin en la seal de salida con el fin de

que el aire fluya dentro o fuera de la fuelle de salida a una velocidad constante para generar la fuerza necesaria para

equilibrar la seal de entrada cambiante. Por lo tanto, la accin derivada hace que la presin de salida para desplazar

hacia arriba o hacia abajo (dependiendo de la direccin del cambio de entrada) ms de lo que hara con la accin

justa proporcional solo en respuesta a una entrada rampa: exactamente lo que esperaramos de un controlador con

dos proporcional y las acciones de control derivados.

La accin integral requiere la adicin de un segundo fuelle (un fuelle "reset", situados enfrente de los fuelles de

retroalimentacin de salida) y otra vlvula limitadora al mecanismo1

:


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Este segundo fuelle toma la presin de aire de la lnea de salida y la traduce en fuerza que se opone al fuelle de

realimentacin originales. Al principio, esto puede parecer contraproducente, ya que anula la capacidad de este

mecanismo para equilibrar continuamente la fuerza generada por el PV y el fuelle SP. De hecho, hara que el sistema

de equilibrio de fuerzas totalmente ineficaz si se permita este nuevo fuelle "reset" para inflar y desinflar, sin tiempo

de espera. Sin embargo, con un retraso de tiempo proporcionada por la restriccin de la vlvula de ajuste integral y

el volumen de los fuelles (una especie de neumtico "constante de tiempo RC"), anulando la fuerza de este fuelle se

convierte en retraso con el tiempo. Como este fuelle llena lentamente (o vaca) con aire a presin procedente de la

boquilla, el cambio en la fuerza en la viga hace que la salida regular de fuelle a tener que "mantenerse por delante"

de la accin de reinicio fuelle constantemente llenado (o vaciado) a una tasa con el tiempo.

Para entender mejor esta accin integradora, examinemos una versin simplificada del controlador. El siguiente

mecanismo se ha despojado de toda complejidad innecesaria para que podamos centrarnos en slo las acciones

proporcional e integral. En este caso, las seales de presin de aire SP PV y se diferencian por 3 PSI, haciendo que el

mecanismo de equilibrio de fuerzas para responder al instante con una presin de salida de 3 PSI al fuelle de

realimentacin (suponiendo una ubicacin cntrica punto de apoyo, dando una ganancia del regulador de 1). La

vlvula de reposicin (integral) ha sido completamente apagado para comenzar nuestro anlisis:


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Con 0 PSI de presin de aire en el fuelle de reinicio, es como si el fuelle de reinicio no existe en absoluto. El

mecanismo es un controlador neumtico slo proporcional simple.

Ahora, imagine que la apertura de la vlvula de reposicin slo un poco, de modo que la presin del aire de salida de

3 PSI comienza a llenarse lentamente el fuelle de restablecimiento. A medida que el fuelle de reinicio se llena de aire

a presin, comienza a empujar hacia abajo en el extremo izquierdo de la viga de la fuerza. Esto obliga a que el

deflector ms cercano a la boquilla, haciendo que la presin de salida se eleve. El fuelle de salida regulares no tiene

ninguna vlvula limitadora de impedir su llenado, y por lo que inmediatamente se aplica ms fuerza hacia arriba

sobre la viga con el aumento de la presin de salida. Con esta mayor presin de salida, el fuelle de reinicio tiene una

presin an mayor "final" de conseguir, por lo que su velocidad de llenado contina.

El resultado de estas dos fuerzas opuestas fuelle (una instantnea, una retardada en el tiempo) es que el fuelle

inferior siempre deben permanecer 3 PSI por delante de las fuelle superior con el fin de mantener una condicin de

fuerza-equilibrada con los dos fuelles de entrada cuyas presiones diferir por 3 PSI. Esto crea una presin diferencial 3

PSI constante a travs de la vlvula de restriccin de reposicin, lo que resulta en un flujo constante de aire en el

fuelle de restablecimiento a una tasa determinada por que la cada de presin y la apertura de la vlvula de

restriccin.Eventualmente, esto har que la presin de salida para saturar al mximo, pero hasta entonces la

importancia prctica de esta accin es el aumento de la presin que el mecanismo de ahora exhibe la respuesta de

control integral al error constante entre PV y SP:


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Cuanto mayor sea la diferencia en las presiones entre PV y SP (es decir, cuanto mayor sea el error ), la ms cada de

presin va a desarrollar a travs de la vlvula de restriccin de reinicio, haciendo que el fuelle de restablecimiento

para llenar (o de vaco, dependiendo del signo del error) con aire comprimido aire a un ritmo ms rpido2

, haciendo

que la presin de salida para cambiar a una velocidad ms rpida. Por lo tanto, vemos en este mecanismo de definir

la naturaleza de la accin de control integral: que la magnitud del error determina la velocidad de la seal de salida

(su tasa de cambio con el tiempo, o DMDT ). La tasa de integracin puede ser finamente ajustada mediante el

cambio de la apertura de la vlvula de restriccin, o ajustar en pasos grandes mediante la conexin de los tanques de

capacidad a los fuelles RESET para aumentar en gran medida su volumen efectivo.

Fisher MultiTrol

Delanteras (izquierda) y posterior (derecha) fotografas de un controlador neumtico real (una unidad de Fisher

"MultiTrol") aparecen aqu:

El mecanismo es muy similar a la utilizada en toda la discusin explicativa, con la distincin de ser

importante movimiento de balance en lugar de equilibrio de fuerzas. Modos de control proporcional e integral se

implementan a travs de las acciones de cuatro fuelles de bronce empujando como pares opuestos en los extremos

de una viga:


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La boquilla puede ser vista mirando hacia abajo en el centro de la viga, con el centro de la viga que acta como un

deflector. Punto de ajuste de control se consigue moviendo la posicin de la boquilla hacia arriba y hacia abajo con

respecto a la viga. Un punto de ajuste de lnea (con la etiqueta "Aumentar la presin de salida") se vuelve una leva

que se mueve la boquilla ms cerca o ms lejos de la viga. Este es un sistema de movimiento de balance, un

desplazamiento en la posicin de la boquilla equivale a una desviacin de la seal de salida, haciendo que el

controlador de buscar un nuevo valor de la variable de proceso.

En lugar de la alteracin de la posicin de un punto de apoyo para alterar la ganancia (banda proporcional) de este

controlador, control de ganancia se lleva a cabo a travs del uso de un "divisor de presin" de vlvula dosificadora de

la cantidad de presin de aire de salida enviado a los fuelles de retroalimentacin. Control de la frecuencia Integral

se lleva a cabo exactamente de la misma manera que en el mecanismo controlador hipottico ilustra en la discusin:

mediante el ajuste de una vlvula de restriccin de flujo de aire hacia y desde el fuelle de restablecimiento. Ambas

vlvulas se accionan mediante botones giratorios con escalas calibradas. La perilla de reposicin es en realidad

calibrado en unidades de minutos por repeticin, mientras que el mando de la banda proporcional est marcado con

una escala de nmeros arbitrarios:

Seleccin de la accin directa contra inversa se lleva a cabo de la misma manera como la seleccin entre

proporcional y de accin rpida (on-off) de control: por colectores mviles re-direccin de las seales de presin de

aire a diferentes fuelle en el mecanismo. El colector directa / inversa aparece en la fotografa de la izquierda (la letra"D" representa directamentela accin), mientras que el colector proporcional / snap aparece en la fotografa de la

derecha (la letra "P" significaproporcional de control):


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Cualquier ajuste se realiza retirando el tornillo que sujeta la placa del colector al cuerpo regulador, girar la placa de

un cuarto de vuelta y volver a conectar. La siguiente fotografa muestra una de las placas de colector desmontado y

vuelto al revs para la inspeccin de las vas respiratorias:

Las dos ranuras de cuarto de circunferencia se ven en la placa del colector conectan los puertos de aire

adyacentes.Rotacin de la placa 90 grados conecta los cuatro puertos de aire juntos como dos pares diferentes.

Foxboro modelo 43AP

El controlador neumtico MultiTrol Fisher es un dispositivo muy simple, destinado para el campo de montaje cerca

del transmisor neumtico y la vlvula de control para formar un bucle de control para aplicaciones que no son de

precisin.Un controlador de neumticos montados en campo ms sofisticado es el modelo Foxboro 43AP, luciendo

PV actual y SP indicadores que indican, adems de los controles de afinacin ms precisos. Las siguientes fotografas

muestran uno de estos controladores, con la puerta de acceso cerrada (izquierda) y abierto (a la derecha):


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En el corazn de este controlador es un mecanismo de "unidad de control neumtico" movimiento de balance. Un

dial para el ajuste de la banda proporcional (y la accin directa / inversa) aparece en el frente del mecanismo:

Tenga en cuenta la forma sencilla en que las acciones directas e inversas se describen en esta lnea: o bien la

medicin aumenta, disminuye la produccin (accin inversa) o el aumento de la medicin, el aumento de laproduccin (accin directa).

Foxboro modelo 130

Foxboro tambin fabrica controladores neumticos de montaje en panel, la serie modelo 130, para aplicaciones

largerscale donde varios controladores necesarios para ubicarse en un espacio compacto. Un banco de los cuatro

modelos de 130 controladores neumticos Foxboro aparece en la siguiente fotografa:


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Cada controlador puede eliminarse parcialmente (se desliz hacia fuera) de su ranura en el bastidor, el P, I, D y

configuracin ajustable en el panel del lado izquierdo con un destornillador:

Con el panel lateral retirado, todo el mecanismo est abierto a la visualizacin:


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El corazn del controlador modelo 130 es un mecanismo de compensacin de fuerzas de cuatro fuelles, idnticos, en

principio, para el mecanismo regulador PID de equilibrio de fuerzas hipottico utilizado a lo largo de la discusin

explicativo. En lugar de los cuatro fuelle que actan en contra de una viga recta, sin embargo, estos fuelles empujan

contra un disco circular:

Una boquilla (que se muestra en la siguiente fotografa) detecta si el disco est fuera de posicin (no balanceada), el

envo de una seal de presin de retorno a un rel amplificador que luego impulsa el fuelle de realimentacin:


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Las rocas de discos a lo largo de un eje establecido por una barra mvil. Como esta barra se hace girar a diferentes

ngulos con respecto a la cara del disco, el punto de apoyo se desplaza con respecto a los cuatro fuelles,

proporcionando un ajuste de ganancia simple y eficaz:

Si los brazos de momento (longitudes de palanca) entre la entrada (PV y SP) de fuelle y el fuelle de realimentacin

son iguales, ambos conjuntos de fuelles tienen igual influencia, y la ganancia ser de un (un ajuste de la banda

proporcional del 100%). Sin embargo, si la barra de punto de apoyo se gira para dar la entrada de fuelle msapalancamiento y la retroalimentacin fuelle menos apalancamiento, el fuelle de realimentacin tendrn que

"trabajar ms duro" (ejercer ms fuerza) para contrarrestar cualquier desequilibrio de la fuerza creada por la entrada

(PV y SP) de fuelle, creando as una ganancia mayor: ms presin de salida para la misma cantidad de presin de

entrada.

Fuelle La cuarta (abajo a la izquierda) que acta sobre el disco ofrece una funcin de restablecimiento opcional

(integral).Su brazo de momento (longitud de la palanca), por supuesto, es siempre igual a la de los fuelles de

retroalimentacin, tal como momento longitudes de brazo de los PV y SP fuelle son siempre iguales, estando situado

enfrente de la lnea de fulcro.

Seleccin entre la accin directa e inversa funciona en el mismo principio como en el controlador de MultiTrol Fisher

- mediante la conexin de cuatro puertos de aire en uno de los dos pares de configuraciones. Un selector (mvil con

una llave hexagonal) convierte un puerto "switch" seal de aire en la parte inferior de la unidad de cuatro fuelles,

cambiando efectivamente el PV y el fuelle SP:


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Una caracterstica interesante de la mayora de los controladores neumticos es la modularidad de la funcin: es

posible pedir un controlador de neumtico que es slo proporcional (P), proporcional ms integral (P + I), o PID

completo. Ya que cada modo de control requiere componentes adicionales para implementar, un controlador

neumtico P-slo cuesta menos de un I + controlador neumtico P, que a su vez los costos de menos de un

controlador neumtico PID completo.Esto explica la relativa escasez de controladores neumticos PID completo en

la industria: por qu pagar por una funcionalidad adicional si menos ser suficiente para la tarea que nos ocupa?

Retroalimentacin externa de RESET (integral)

Algunos controladores neumticos vienen equipados con una opcin de reinicio externo : una caracterstica til en

sistemas de control para evitar windup integral, siempre y cuando el proceso deja de responder a los cambios en la

salida del controlador. En vez de recibir una seal neumtica directamente desde la lnea de salida del controlador,

el fuelle de restablecimiento recibe su seal a travs de otra lnea de neumtico, conectado a una ubicacin en el

sistema de control donde el final de efecto (de la seal de salida m ) se ve. Si por alguna razn el elemento final de

control no puede alcanzar el estado solicitado por el controlador, el controlador detectar esto a travs de la sealde reset externa, y cesar la integracin para evitar el "wind-up".

En la siguiente ilustracin3

, la seal de reset externa proviene de un neumtico transmisor de posicin (ZT)

montado en el vstago deslizante de la vlvula de control, devolviendo una seal de 3-15 PSI que representa la

posicin del vstago de la vlvula:


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Si algo le pasa a la vlvula de control haciendo que se congele la posicin cuando el controlador ordena que se

mueva - supongamos que la madre se encuentra con un "stop" mecnica viajes limitar, o un pedazo de atascos de

material slido de la vlvula de equipamiento por lo que no puede cerrar an ms - el neumtico seal de presinenviada desde el transmisor de posicin de fuelle de restablecimiento del controlador ser igualmente

congelar. Despus del retraso neumtico causado por la vlvula limitadora de reposicin y fuelles pasa, la fuerza de

fuelle de reinicio se mantendr fijo.Esto detiene la accin integral del controlador, que antes se basaba en una

"carrera" entre el fuelle de realimentacin de salida y los fuelles de reposicin, haciendo que la retroalimentacin

fuelle de "dirigir" la presin del fuelle de reinicio en una cantidad proporcional al error entre PV y SP. Esta "carrera"

caus la presin de salida al viento ya sea hacia arriba o hacia abajo dependiendo del signo del error. Ahora que la

presin del fuelle de reinicio se congela debido a la posicin de la vlvula de control de ser congelado, sin embargo,

la "raza" llega a su fin y las exposiciones de controlador nica accin proporcional. Por lo tanto, el temido efecto de

bobinado integral - es evitado - donde la accin integral de un controlador contina actuando a pesar de que el

cambio en la salida es de ningn efecto sobre el proceso.

1Prctico accin integral tambin requiere la eliminacin del resorte de derivacin y el ajuste, que anteriormente

proporciona una fuerza constante hacia abajo en el lado izquierdo de la viga para dar la seal de salida el

desplazamiento positivo necesario para evitar la saturacin a 0 PSI. No slo es un ajuste de sesgo completamente

innecesario con la adicin de la accin integral, pero que en realidad causar problemas al hacer la accin integral

"pensar" la existencia de un error entre PV y SP, cuando no haba ninguno.

2Estas vlvulas limitadoras estn diseados para estimular el flujo de aire laminar, por lo que la relacin entre la

velocidad de flujo volumtrico y la cada de presin diferencial lineal en lugar de cuadrtica como lo es para las

vlvulas de control grandes. Por lo tanto, una duplicacin de la cada de presin a travs de los resultados de la

vlvula reductora en una duplicacin de la velocidad de flujo en (o fuera de) el fuelle de reajuste, y la consiguiente


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duplicacin de la tasa de integracin. Esto es precisamente lo que deseamos y esperamos de un controlador con

accin integral.

3En caso de que usted se est preguntando, este controlador pasa a ser de accin inversa en lugar de directa. Esto

no tiene consecuencias para la funcin de reset externo.

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