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FACULTAD DE INGENIERÍACARRERA DE INGENIERIA INDUSTRIAL

1. INTRODUCCIÓN

Un sistema de control automático es aquel que controla una variable física sin

intervención humana. Esta variable física puede ser una temperatura, una velocidad, una

presión, un flujo, un nivel, etc. El controlar una magnitud física como las mencionadas

anteriormente es estrictamente necesario para el buen desarrollo de determinados

procesos sobre todo en la industria. El control automático llamado simplemente

automatización ha sido la base sobre la cual descansa el gran adelanto industrial de los

países más poderosos del planeta.

El trabajo que a continuación que presentaré es acerca del control de temperatura

automatizado, que es uno de los procesos industriales automáticos que existen. Así

mismo conoceremos de sus actividades la cual está realiza en una empresa industrial.

El tema de automatización nos dará una visión muchísimo más amplia de lo que puede

ayudar esto a una empresa ya que se va a dar en la misma un proceso de mecanización

de las actividades industriales para reducir la mano de obra, simplificar el trabajo para que

así se de propiedad a algunas máquinas de realizar las operaciones de manera

automática; por lo que indica que se va dar un proceso más rápido y eficiente.

INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 1


2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

Esta monografía tiene como principal finalidad el trabajar con un sistema

realimentado con un retraso importante entre el instante en que se aplica la

señal de control y aquel en el que la salida reacciona a dicha señal

(Sistema de Control de Procesos PT326 de FeedBack Ltd., ver Fig.5.1).

Se estudian aspectos relacionados con el modelado de este tipo de

sistemas utilizando modelos lineales reducidos, así como distintas

estrategias sencillas de control de estos sistemas: control proporcional,

control Todo-Nada y control PID por computador.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudio de los tiempos de retardo asociados a estos sistemas, así

como las constantes de tiempo de su dinámica.

Estudio de un esquema de control Todo-Nada.

Estudio de un esquema de control proporcional.

Análisis de la respuesta del sistema a perturbaciones.

Estudio de un esquema de control PID.



3. Sistema de Control de Procesos

El sistema de control de procesos objeto de esta práctica se muestra esquemáticamente.

En dicho sistema se pueden destacar los siguientes elementos:

Lateral del PT326. El interruptor wattmeter/heater debe estar en heater

Sistema de control de procesos PT326.



Esquema del sistema PT326

Proceso: Este término genérico se utiliza para describir un cambio físico, químico,

conversión de energía, etc. A un proceso se le pueden asignar una serie de variables

como pueden ser la presión, temperatura o velocidad de un fluido, ritmo al que se

produce una reacción química, nivel de líquido en un tanque, etc. En el caso que

nos ocupa la temperatura del aire que circula por el tubo de proceso es la variable del

proceso a controlar. Dicha temperatura es elevada a un valor deseado dentro de la

gama de la temperatura ambiente hasta 60o C.

Elemento detector: Un termistor esférico acoplado al extremo de una sonda se

encuentra al final del tubo del proceso. Sirve para obtener una medida de la temperatura

a la que se encuentra el aire a la salida del tubo. Como se ha indicado, dicho termistor

no debe tocarse bajo ninguna circunstancia ya que es sumamente frágil.

Valor medido To: Es la señal de salida del elemento medidor correspondiente a la

variable del proceso a controlar: La temperatura al final del tubo.



Valor fijado Ti: Este es el valor de la referencia a la que se fija el control automático, es

decir, es el valor deseado de la temperatura. Este valor se puede ajustar bien mediante un

potenciómetro, bien mediante la aplicación de una tensión exterior comprendida entre

0 y 10 V. introducida por el puerto D.

Desviación T: Es la diferencia entre el valor fijado y el valor medido T = Ti − To.

Perturbación del valor fijado: Accionando el interruptor P “Perturbación interna” del valor

fijado (set value disturbance), se aplica internamente un cambio en escalón sobre el valor

fijado. Es decir, a la referencia se le suma una señal en escalón.

Elemento comparador: Se utiliza un amplificador sumador para comparar el valor

medido a partir del amplificador puente con el valor fijado. En este equipo las señales

están dispuestas de forma que sean de signo opuesto, de modo que la salida del

amplificador sumador representa la desviación. Esta desviación puede medirse a

través del puerto B.

Elemento controlador: Se aplica una señal proporcional a la desviación al elemento

controlador, que genera a continuación una señal de control para ser transmitida a la

unidad correctora.

En este equipo el elemento controlador puede ser conmutado (mediante el conmutador

C2) para dar bien control continuo (C2 arriba) o bien control todo-nada (C2 abajo). La

salida de control puede ser supervisada mediante el casquillo C del panel frontal.

Control continuo: El tipo de control continuo depende de la posición del conmutador C1.

1. Interno (C1 arriba). Permite únicamente una acción proporcional. La

ganancia se ajusta utilizando un potenciómetro. Dicha ganancia viene dada en

tantos por ciento. El valor de la ganancia es la inversa del valor que marque el

potenciómetro multiplicado por 100 (banda proporcional).



2. Externo (C1 aba jo). El ajuste de banda proporcional puede ser

desconectado del circuito y en su lugar puede conectarse un Simulador de

Control de Proceso PCS327. Este permite utilizar acción PI, PD y PID.

Esquema de control

4. Análisis dinámico del sistema

4.1. Retardo por distancia y velocidad de propagación

En algunos sistemas físicos existe un retraso importante entre la acción y la

respuesta del sistema. En el caso que nos ocupa, se dispone de un tubo en

el que en uno de los extremos se coloca una fuente de aire caliente

(gobernada por una excitación eléctrica) y en el otro extremo un elemento de

medida. Por observación directa se identifica cada parte en el montaje notando

que sobre el ventilador hay un pequeña trampilla, cuya función es la de dejar

entrar más o menos aire al tubo. Por tanto, cuanto más abierta esté la

trampilla más aire entrara´ para ser calentado y menor será´ la temperatura

del aire de salida (supuesta una fuente de calor constante). Es intuitivo que el

sensor debe reflejar los cambios en la señal de excitación. Debido a la longitud

del tubo y a que la velocidad de propagación del aire caliente en el medio no

es infinita, se produce un retraso en la respuesta del sistema a la variación

de la señal eléctrica que calienta la rejilla al principio del tubo.



Caso práctico

1. Situar la banda proporcional a 100% (equivale a ganancia 1 y es como si no

existiera).

2. Ajustar “set value” hasta que en el visor se vean temperaturas próximas a 30°. En la

práctica este valor es sólo orientativo, se trata de tener un valor distinto al del ambiente.

3. Abrir la trampilla que hay sobre el motor unos 40°.

4. En la clavija de external disturbance (conector D) introducir utilizando el ordenador

un escalón de 2 V.

5. Seleccionar control continuo con los conmutadores C1 y C2 arriba.

6. Conectar, a través de un divisor de tensión, el canal 0 de entrada del ordenador al

terminal Y del módulo.

A continuación se verá que la forma de onda de la salida tiende a alcanzar a la entrada.

4.1.1 El retraso por distancia y velocidad viene representado por DT.

Si se repite el experimento para distintos ángulos de apertura (40°, 120° y 160°), se

obtiene aproximadamente el resultado que se muestra en la tabla:

Apertura Retraso (s)40o 0.2120o 0.16160o 0.14

Retrasos en el sistema



En los resultados se debe tener en cuenta que la salida esta´ invertida respecto a la

entrada.

4.2. Función de transferencia del sistema

La respuesta del detector a una entrada en escalón en la potencia del aire caliente

tiene dos retrasos (por distancia y velocidad, que dan lugar al retardo DT que aparece

en la Fig.5.7), que no tienen efecto en la forma de la señal, pero también hay un retraso,

llamado de transferencia, que sí afecta a la forma de onda de la señal en el detector.

Esto es debido a lo que se podría llamar “inercia” del aire a ser calentado (o enfriado),

lo que daría lugar a una respuesta con forma aproximadamente exponencial como en la

Fig.5.7. El proceso es en realidad más complejo (sistema de parámetros distribuidos), lo

que da pie a una forma de onda a la salida distinta, fruto de la combinación de varias

exponenciales correspondientes a distintas constantes de tiempo asociadas a las

distintas dinámicas que entran en juego.

En el caso en que una de dichas constante de tiempo sea muy dominante, la respuesta

se parecerá´ más a la exponencial (simplificación de modelado).

Asimismo, el sistema presentara´ una determinada ganancia, de modo que se podrá

aproximar por un sistema de primer orden con una constante de tiempo y ganancia

estática características:

Caso práctico

Llegado este punto, y con los ajustes del equipo realizados en el apartado anterior

(apertura de 40o ), se excita con un escalón de 2 V, obteniendo la forma de la señal

de salida, a la vez que se toman los valores de retraso, tensión de pico y sobre

oscilación. La respuesta es parecida a la ya indicada en la Fig. 5.6, donde el retraso

por transferencia viene indicado por τ. INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 8


Es común en estos casos realizar una simplificación consistente en modelar este tipo

de respuesta por la de un sistema de primer orden con un retardo, despreciando de esta

forma las dinámicas asociadas a constantes de tiempo menores (dinámica mucho más

rápida). Para una señal cuadrada de entrada de 2 V. pp y frecuencia 0.2 Hz, el valor final

de la señal de salida medido es cercano a 1.7 V pp. Por lo tanto, el 63% de este valor es

1.071 V., que se alcanza a los 0.5 s (constante de tiempo τ). La ganancia estática del

proceso será K = 1.7 = 0.85.

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Repitiendo el estudio para una apertura de 120° el valor pico a pico obtenido es de 0.9

V. (K = 0.45) y la constante de tiempo de 0.4 s.

5. Esquemas básicos de controlEn este apartado se van a aplicar distintos esquemas de control de la temperatura de

salida del aire. En concreto se realizara´ un control todo-nada, un control proporcional.

Para configurar el dispositivo para realizar estos tipos de control se cierra el bucle

uniendo los terminales X e Y mediante un cable, conectando as´ı el amplificador con

el elemento de medida. De este modo se consigue la realimentación de la variable de

salida.

5.1. Control todo-nada.En este apartado se va a realizar un control sobre la cantidad de calor que entra al tubo.

Se procederá´ de dos formas:

1. Control todo-nada: Es decir, fijado un nivel deseado de temperatura, controla la

fuente de calor, encendiéndola y apagándola según el signo del error de seguimiento.



Control Todo-Nada

Caso práctico

• Desconectar la señal aplicada por el ordenador si aún no se había hecho.

• Establecer un set point a una temperatura superior a la ambiente. Por ejemplo, poner set value a 50o C.

• Cerrar el bucle de control uniendo los terminales X e Y.

• Evitar la banda proporcional. Para ello unir los terminales A y B, y situar el conmutador C1 abajo.

• Seleccionar control en dos niveles (two step control en el montaje con C2 abajo).

• Tomar overlap como 0.

• Ángulo de apertura de 20°.

• Conectar, mediante divisores de tensión, las entradas del ordenador a la salida Y (señal medida), y C (señal de control).

Conviene tomar nota de las formas de onda a la salida, de los valores de amplitud pico a

pico, y de la frecuencia de oscilación de la señal medida.

Si se lleva a cabo la experiencia, se puede estimar la frecuencia de un ciclo completo de

conmutación, que resulta ser de 0.74 Hz. La amplitud de la onda de salida es 4 V. pp,

siendo la señal de control de 10 V. pp (señal cuadrada).

2. Overlap: Se permite a la señal correspondiente a la medida, que oscile entre dos

valores, máximo y mínimo, fijados por el usuario. Así, se denomina overlap al rango de

valores en los que puede oscilar la señal medida.



Control Todo-Nada con Overlap

Caso práctico

• Manteniendo la configuración utilizada en el caso anterior (control todo-nada sin

overlap) analizar la respuesta del sistema para distintos valores de overlap en el rango

0-4.

Conviene tomar nota de las formas de onda a la salida, de los valores de amplitud pico a

pico, y de la frecuencia de oscilación de la señal medida para los distintos valores de

overlap.

Control proporcional

Se entiende como error la diferencia entre la señal de referencia y el valor medido, que

en el montaje se puede apreciar directamente en los niveles situados en el frontal del

equipo.

El visor debe utilizarse sólo cualitativamente, ya que el error realmente producido se

mide en el puerto B en forma de tensión. Se puede realizar una correlación entre la

medida que da el visor en el frontal y la tensión medida a la salida del sistema, de modo

que se pueden relacionar linealmente la temperatura del aire con la tensión medida a la

salida:

Diferencia entre señal medida y valor deseado



Diferencia entre señal medida y valor deseado de modo que se puede obtener: T = 2.5V

+ 25.



6. RESULTADOS

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Esta monografía tiene como principal finalidad el trabajar con un sistema

realimentado con un retraso importante entre el instante en que se aplica la

señal de control y aquel en el que la salida reacciona a dicha señal (Sistema de

Control de Procesos PT326 de FeedBack Ltd., ver Fig.5.1). Se estudian

aspectos relacionados con el modelado de este tipo de sistemas utilizando

modelos lineales reducidos, así como distintas estrategias sencillas de control de

estos sistemas: control proporcional, control Todo-Nada y control PID por

computador.

- La monografía ayudo a entender y trabar con un sistema realimentado con un retraso importante entre el instante en que se aplica la señal de control y aquel en el que la salida reacciona a dicha señal (Sistema de Control de Procesos PT326 de FeedBack.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudio de los tiempos de retardo asociados a estos sistemas, así como

las constantes de tiempo de su dinámica.

Estudio de un esquema de control Todo-Nada.

Estudio de un esquema de control proporcional.

Análisis de la respuesta del sistema a perturbaciones.

Estudio de un esquema de control PID.

- Cumplimos cada objetivo específico.



- El comportamiento final del circuito montado se acerca a al comportamiento esperado durante el diseño, sin embargo, variables físicas permiten la existencia de marcadas diferencias con respecto al comportamiento ideal. Estos cambios son: -El calentamiento es bastante más lento al esperado-La inercia del calentamiento del cautín calienta el sistema durante un lapso más allá dela temperatura de equilibrio.

- El cambio de fuente de regulación de temperatura tiene una sensibilidad de solo un grado, lo cual generaría problemas a cambios más rápidos de temperatura.-La etapa de potencia no aprovecha al máximo su capacidad para transmisión y disipación del calor. A pesar de ello, el sistema es confiable dentro de ciertos rangos de trabajo.

7. CONCLUSIÓN

El sistema puede ser mejorado, sobre todo para el aprovechamiento del gasto y

uso de la potencia de la etapa de calentamiento-enfriamiento, ya que la ventana

de trabajo para el amortiguamiento de la temperatura es tan bajo, que se

presentan cambios demasiado constantes en la etapa de potencia, que tienden

más a la oscilación rápida en torno a la temperatura de control.

Una recomendación proporcionada, es la implementación de control de histéresis

promedio de entradas faltantes en los puertos del microprocesador, o a través de

un comando separado en el teclado.

BIBLIOGRAFÍA

http://www.esi2.us.es/~fsalas/asignaturas/LCA3T_05_06/temp05v1.pdf


http://www.esi2.us.es/~fsalas/asignaturas/LCA3T_05_06/temp05v1.pdf

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