Mtodo Sintona: Ziegler Nichols Ganancia Crtica en lazo cerrado. Equipo: Jacketed Stirred Reactor

Universidad Catlica del Norte. Facultad de Ingeniera y Ciencias Geolgicas. Departamento de Ingeniera Qumica.Mtodo Sintona: Ziegler Nichols Ganancia Crtica en lazo cerrado. Equipo: Jacketed Stirred ReactorInstrumentacin y Control de CalidadIntegrantes:Karen Ledezma RiveraTania Perez BarrazaProfesor: Claudio Leiva HurtubiaCarrera: Ingeniera Ejecucin en Procesos Qumicos

INDICE

RESUMEN21.- IDENTIFICACIN DE LAS VARIABLES32.- RESPUESTA DINMICA DEL PROCESO33.- Sintona DE PARMETROS5Grfico de respuesta en escaln en el setpoint7RESULTADOS84.1- CONTROLADOR PID9RESULTADOS104.2- CONTROLADOR PID11RESULTADOS12VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL CONTROLADOR PID14CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES15BIBLIOGRAFIA16

ndice de IlustracionesIlustracin 1: Respuesta dinmica del proceso mediante mtodo escaln.4Ilustracin 2: Sintona de Parmetros mediante Ziegler Nichols en lazo Cerrado.5Ilustracin 3: Disminucin del Setpoint.7Ilustracin 4: Aumento del Setpoint.8Ilustracin 5: Respuesta con un ganancia de -15 9Ilustracin 6: Respuesta con una ganancia doble de -30 10Ilustracin 7: Respuesta a un tiempo integral de 11Ilustracin 8: Respuesta a la mitad del tiempo integral.12Ilustracin 9 Respuesta a tiempo integral con un valor de 1000 13

ndice de tablasTabla 1: Variables del Proceso3Tabla 2: Parmetros de Controlador para Lazo Cerrado en Ziegler Nichols6

RESUMEN

Jacketed Reactor o reactor enchaquetado es un equipo de proceso continuo que se ingresa una alimentacin, dando una reaccin qumica de primer orden A B. La reaccin es exotrmica y la concentracin de B depende de la temperatura del lquido en el reactor. Para controlar la temperatura del reactor se ingresa un lquido de enfriamiento que rodea el reactor. El lquido de enfriamiento disturbance es una variable manipulada del proceso que controla la temperatura del reactor. En el principio del proceso es inestable a temperatura constante. Para controlar el proceso se tienen dos formas; Lazo abierto y Lazo cerrado. En este trabajo se profundizara en el Lazo cerrado, incorporando un control en cascada en el reactor. Las variables controladas en el reactor son la temperatura del reactor y la temperatura del lquido enfriador, y la variable manipulada es el flujo del lquido enfriador.Para el Lazo cerrado se tiene una sintona de parmetros del control, que se logran a automatizar el proceso, primero se deben eliminar los efectos de la parte integral y derivativa, y solo utilizar la ganancia Ku hasta que el sistema tenga oscilaciones constantes y uniformes en el tiempo. Con las oscilaciones se calcula el periodo, con Ku y periodo se calculan los parmetros del controlador PID (Kc, ti, td) con valores de sintonizacin tabuladas.En el trabajo se encontraron resultados significativos en el comportamiento de forma grfica en los siguientes cambios de variables, al aumentar o disminuir el SP, el Kc alto y el tiempo integral bajo.El aumento o disminucin de algunos parmetros como la entrada de alimentacin del reactor o el Control Gain nos permite controlar la temperatura producida en el reactor y permiten obtener los parmetros del controlador.

1.- IDENTIFICACIN DE LAS VARIABLES Tabla 1: Variables del ProcesoVariable manipulada (OP)Flujo de agua de enfriamiento en la salida del reactor

Variable controlada (M PV)Temperatura

Set point del controladorValor de referencia al que se quiere llegar con el sistema de control

Perturbacin del procesoTemperatura del agua de enfriamiento 30 [C]

2.- RESPUESTA DINMICA DEL PROCESOAl realizar un cambio en las variables, en este caso el Process Input de 37.5 a 42.5 , con un incremento de 5 se puede observar que la temperatura en el reactor baja considerablemente de 60 [C] a 33.9 [C], tenindose un T -26.1 [C], llegando un punto el que el reactor vuelve a estabilizarse, pero con una menor temperatura.En la variable manipula de entrada, al aumentarla en la grfica se ve como un aumento de escaln. Mientras que la temperatura la variable controlada tiene un descenso semi-parablico. Cul es la ganancia del proceso:

Ilustracin 1: Respuesta dinmica del proceso mediante mtodo escaln.

3.- Sintona DE PARMETROSMtodo Sintona:Ziegler Nichols Ganancia Crtica en lazo cerrado.Equipo:Jacketed Stirred ReactorUtilizando el mtodo de Lazo Cerrado u Oscilacin constante; primero se debe modificar el modo de controlador del PID a modo automtico, en el programara de Simulacin Picles se da por opcin P-Only Control.Modificando los parmetros del Controlador, tal como Control Gain en alrededor de valores de -30.0 a -26.0 se aprecian oscilaciones pero su amplitud no es constante durante el transcurso del tiempo, por lo cual se modifica a valores cercanos a 25.9 variando los valores en decimales hasta apreciar oscilaciones sostenidas (alcanzando el lmite de la estabilidad). En este punto la ganancia es es igual a -25.5 ; a su vez se mantiene el parmetro Disturbance en el valor de 30.0 para que la oscilacin sea constante.Obtenindose el siguiente grafico a travs de la simulacin con la modificacin de los parmetros mencionados:

Ilustracin 2: Sintona de Parmetros mediante Ziegler Nichols en lazo Cerrado.

Por medio del grafico se puede determinar el Periodo de Oscilacion

Se establecen los parmetros del controlador de acuerdo a la tabla descrita a continuacin para Tipo PID.Tabla 2: Parmetros de Controlador para Lazo Cerrado en Ziegler NicholsTipo

PID/2/8

Obtenindose como resultado los siguientes parmetros del controlador: ; ;

Grfico de respuesta en escaln en el setpointA continuacin se presentan los cambios obtenidos al modificar en un 10% la respuesta del setpoint en el reactor a partir de un valor establecido de 60 C para el setpoint.

Disminucin del setpoint de 10%: A partir de un setpoint de 60 C se realiza un cambio a un setpoint de 50 C.

Ilustracin 3: Disminucin del Setpoint.

Aumento del setpoint en un 10%: A partir de un setpoint de 60 C se realiza un cambio a un setpoint de 70 C.

Ilustracin 4: Aumento del Setpoint.

RESULTADOS

Al observar la figura 3 se aprecia la existencia de overshoot en la dinmica del proceso, esto quiere decir que a medida que el setpoint disminuya mayor ser la existencia de sobre-actuaciones del controlador.Mientras que si los cambios en el setpoint son mayores (cambios positivos mayores al 10%) el comportamiento del proceso tiende a ser ms estable durante el tiempo.El comportamiento del proceso es distinto para aumentos y disminuciones del setpoint, por lo cual se recomienda un mejoramiento para que la dinmica del proceso se mantenga constante.

4.1- CONTROLADOR PIDAumento de ganancia Utilizando el controlador en modo proporcional (P-Only Control) y usando la ganancia calculada en el apartado 3 de un valor de = -15 y realizando un cambio de setpoint de 60 a 70 al realizar la simulacin con estos parmetros se obtiene el siguiente grfico:

Ilustracin 5: Respuesta con un ganancia de -15

Con el mismo cambio de setpoint de 60 a 70 y aumentando la ganancia del controlador al doble con un valor de = - 30 se obtiene el siguiente grfico:

Ilustracin 6: Respuesta con una ganancia doble de -30 RESULTADOSEl aumento de la ganancia da como resultado una dinmica de proceso poco lineal y con respuesta poco favorable al transcurso del tiempo, muestra perturbaciones en la dinmica del proceso, por lo que el controlar no funciona adecuadamente a estos parmetros. Al comparar con una disminucin de la ganancia, se observa el mismo comportamiento, por lo cual se deduce que los parmetros que se establecieron no responden de manera eficaz para uso del Reactor. Se recomienda utilizar otro tipo de controlador ya que P-Only no cumple satisfactoriamente al proceso ya que las exigencias del control son mayores.Se simulo los mismos parmetros en en control PID, modificando los valores de ganancia, hasta alcanzar su valor lmite ms pequeo, pero se sigue respondiendo con la misma similitud del controlar en modo P, por lo tanto la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema no presente perturbaciones, es incluir y configurar las acciones integral y derivativa utilizando control PID.Adems se comprende que para mtodos de oscilacin de Ziegler Nichols en lazo cerrado se recomienda aplicar al proceso ganancias del controlador con valores pequeos.

4.2- CONTROLADOR PIDDisminucin al Tiempo Integral Utilizando el valor de de obtenida de la experiencia del apartado 3, se realiza un cambio de setpoint de 60 a 70 , el grafico obtenido a partir de la simulacin de los parmetros es el siguiente:

Ilustracin 7: Respuesta a un tiempo integral de

Manteniendo el mismo cambio en el setpoint descrito anteriormente pero realizando una variacin en la mitad en el Tiempo Integral de 57 . Con este nuevo parmetro se obtiene el siguiente grfico:

Ilustracin 8: Respuesta a la mitad del tiempo integral.RESULTADOS

Al disminuir el tiempo integral la respuesta del controlador no es satisfactoria, no se aprecia una linealidad en la dinmica de proceso; por lo cual se observan oscilaciones y sobre-actuaciones del controlador. Mientras que el aumento del , si comparamos de un = 57 a un = , no presenta cambios en la dinmica del proceso, no se aprecia linealidad. Adems se observa perturbaciones en controlador que nos indica que los parmetros no son adecuados para el control del reactor o bien tambin para el caso de simulacin para un Reactor PI no cumple satisfactoriamente al proceso ya que las exigencias del control son mayores.Se realiz un cambio en el tiempo integral para buscar si a valores ms altos de existen cambios significativos que afecten la dinmica del proceso y permitan un funcionamiento adecuado del controlador sin perturbaciones en el transcurso del tiempo.

A continuacin se muestra el grafico que se obtuvo para valores de =

Ilustracin 9 Respuesta a tiempo integral con un valor de 1000 Dado esto se aprecia cambios significativos en la grfica del proceso, no se observan perturbaciones que afecten la dinmica del proceso pero siguen existiendo sobre actuaciones del controlador (overshoot).Para mtodos de oscilacin de Ziegler Nichols en lazo cerrado se recomienda aplicar al proceso tiempos integrales con valores grandes.Tambin se realizaron simulacin cambiando los valores de ganancia Kc a -5 y -30 a tiempo integral de 114 para apreciar si existen cambios notorios en el comportamiento del controlador. Se comparan las grficas obtenidas con los nuevos parmetros y no se muestran cambios en el comportamiento del controlador, por lo cual no se puede deducir que al cambiar la ganancia Kc este afecte en la linealidad del proceso y evite perturbaciones en el mismo.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL CONTROLADOR PID

VENTAJAS Los controladores PID son aplicables a la mayora de los problemas de control industrial. Simplicidad y versatilidad de operacin Comportamiento Robusto y Sentido fsico a los diversos procesos industriales. La estructura PID ofrece suficiente flexibilidad para dar buenos resultados en diversas aplicaciones. Al ajustar las tres variables en el control PID (proporcional, integral y derivativo) el controlador puede proveer un control diseado para lo que se requiera en el proceso a realizar. Si se compara el control PID con el control PI, el primero es apto para funcionar en sistemas con dinmica dominante de segundo orden, adems de ser ptimo cuando las exigencias de control aumentan.

DESVENTAJASUn controlador PID es insuficiente cuando se necesita un control ms sofisticado, ya que influye que no estn adaptados para trabajar bajo ciertas condiciones tales como: Procesos de Orden elevado y Sistemas con grandes retardos o con modos oscilatorios. Procesos con ruidos significativos, esto afecta al sistema haciendo que las variaciones afecten el desempeo de los controladores. Planteamiento de objetivos de control ambiciosos. El uso del PID para control no garantiza control ptimo del sistema o laestabilidaddel mismo. Los controladores PID cuando se utilizan solos, pueden dar un desempeo bajo cuando la ganancia del lazo del PID debe ser disminuida para que no exista sobre oscilacin sobre el valor del setpoint. Otro problema es que PID es lineal y el desempeo de los controladores PID es sistema no lineales es variable.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En cualquier reactor es una prioridad mantener la temperatura de l, ya que as se puede conseguir una mejor conversin de las reacciones que hay se producen. En un reactor la temperatura es una variable controlada mientras que el flujo de la corriente de enfriamiento es la variable controlada, ya que al ser aumentada o disminuidas las temperaturas del reactor cambian.En el trabajo de simulacin en picles se encontraron resultados indispensables cuando se aumenta o se disminuye el SP, en el caso del que se aumenta el SP el controlador se adapta de mejor manera que cuando se disminuye el SP que se producen un overshoot significativo producto por las limitaciones del sistema PID. Por otro lado las ganancias del controlador se deben mantener bajas ya que el mtodo funciona mejor con Kc pequeos. Y en el tiempo integral se deben mantener altos, ya que el ti es lo que disminuye las reas bajo la curva y evita las oscilaciones manteniendo una linealidad en el sistema, que es lo que siempre se busca en los procesos.

BIBLIOGRAFIA

Control PID Clasico. (s.f.). Newcastle. Obtenido de http://csd.newcastle.edu.au/SpanishPages/clase_slides_download/C07.pdfDepartamento de Control, Divisin de Ingeniera Elctrica. (14 de Noviembre de 2006). Reglas de Ziegler-Nichols para sintonizar controladores PID. Mexico D.F.Diaz, A. P., & Durango, J. A. (Julio - Diciembre de 2012 ). Modelado, simulacin y control de un reactor en la produccin. Prospect. Vol. 10, No. 2, 31-36.Leiva, C. (Noviembre de 2014). Apuntes Educa. Mtodos de Sintona de Parmetros. Obtenido de http://web1.educa.ucn.cl/sistema/claroline/backends/download.php?url=L1ppZWdsZXJfTmljaG9sc18tX0NvaGVuX0Nvb24ucGRm&cidReset=true&cidReq=IQ681_1Universidad Nacional de Colombia. (s.f.). Apuntes Analisis y Simulacion de Procesos. Obtenido de http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/ana_sim/mod_5/html/contenido09.htmlUniversidad Simon Bolivar. (s.f.). Apuntes Sintonizacion de Controladores. Obtenido de http://prof.usb.ve/montbrun/sintonizacion%20controladores%20sep07.pdf

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