Controladores Mª Jesús de la Fuente Aparicio

Presentación del tema: "Controladores Mª Jesús de la Fuente Aparicio"— Transcripción de la presentación:

1 Controladores Mª Jesús de la Fuente Aparicio
Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Facultad de Ciencias Universidad de Valladolid

2 Operación manual de un proceso
Observar Comparar Decidir Actuar

3 Operación de un proceso
Comparar Decidir Respuestas Cambios Proceso Actuar Medir Respuesta dinámica Operación manual o en lazo abierto

4 Operación automática Operación en lazo cerrado Respuestas Cambios
Regulador Proceso Medir Actuar Valores Deseados Operación en lazo cerrado

5 Operación Automática Medir Comparar Decidir Actuar LT LC

6 Componentes Variables a controlar Variables para actuar Actuador
Proceso Regulador Valores Deseados Transmisor Valores medidos

7 Terminología Perturbación Variable Controlada Referencia LT LC
Manipulada

8 Variable manipulada Manipulated Variable MV Output to Process OP Entrada (al proceso) Perturbaciones Deviation Variables DV Referencia Consigna MV u y Regulador w Proceso Set Point SP y (Europa) x Transmisor Variable Controlada Controled Variable CV Process Variable PV Salida (del proceso) Diagrama de bloques

9 Control Continuo La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se mide y se actúa continuamente sobre un rango de valores del actuador Variable Controlada Perturbación Referencia LT LC Variable Manipulada

10 Control discreto Detector de máxima y mínima altura Relé
Las variables solo admiten un conjunto de estados finitos Electroválvula ON/OFF

11 Diagramas de proceso P&I
Unidades de proceso y actuadores representados con simbolos especiales Instrumentos de medida y regulación representados por círculos con números y letras LC 102 LT 102 Lineas de conexión

12 Control de flujo FC w u q a

13 Control de nivel qi w h LT LC u q

14 Control de temperatura
Medir Comparar Decidir Actuar

15 DIAGRAMA DE BLOQUES v DV w Controlador u Proceso y SP MV OP CV PV

16 Controladores Generan una señal de control normalizada al actuador en función del valor medido de la variable que se quiere controlar y de su valor deseado. Variable manipulada 4-20 mA Referencia Error Cálculo y normalización + - Variable controlada 4-20 mA

17 Implementación Tecnologías: Controladores de lazo (PID)
Neumática Electrónica Digital Controladores de lazo (PID) Autómatas (PLC) Sistemas de Control Distribuido (DCS) Control por ordenador (PC)

18 Señales normalizadas Actuador w u y Controlador Proceso Transmisor
SP 45 PV 45.5 4-20 mAdel transmisor 4-20 mA al actuador MV 38

19 Controladores Controlador PI Actuador w e u y Proceso y Transmisor
+ - Proceso y Transmisor Panel de control

20 Sala de Control Operación 4 – 20 mA Campo

21 Control por computador
Potencia, Ethernet AI AO Controlador DI DO u(kT) Microprocesador AO Proceso y(kT) AI T periodo de muestreo T

22 Arquitecturas HART I/O DeviceNet/Profibus AS-i H1

23 Diagnosis, configuration

24 Un sistema de control Perturbación Variable Controlada Referencia LT
LC Variable Manipulada

25 EL REGULADOR PID regulador basado en señal, no incorpora conocimiento explícito del proceso 3 parámetros de sintonia Kp, Ti, Td diversas modificaciones

26 PI Actuador w e u y + - Proceso y Transmisor

27 Señales del regulador La conversión del regulador debe corresponder a
Actuador W Y U R Gp + - % % 100/span % 100/span Las señales de entrada y salida al regulador suelen expresarse en % del span del transmisor y del actuador respectivamente. La conversión del regulador debe corresponder a calibración del transmisor

28 Parámetros PID Kp ganancia / Término proporcional
% span control / % span variable controlada banda proporcional PB=100/ Kp Ti tiempo integral / Término integral minutos o sg. (por repetición) (reset time) repeticiones por min = 1/ Ti Td tiempo derivativo / Término derivativo minutos o sg.

29 Acción proporcional e u t t
Un error del x % provoca una acción de control del Kp x % sobre el actuador bias = manual reset (CV = SP)

30 Acción directa/inversa
considerar el tipo de válvula Reverse acting controller Kp > 0 LT LC LT LC Direct acting controller Kp < 0 u(t)=Kp(w-y) si aumenta y decrece u con Kp positiva

31 Acción proporcional w e u 1500 rpm Kp Ampl. M Ing. 1500 rpm
+ - M 30 % Ing. 1500 rpm Solo puede alcanzarse un punto de equilibrio con error cero u(t)=Kp e(t) + 30

32 Acción proporcional bias e w Kp u - y e(t) = w – y u(t)=Kp e(t) + bias
LT

33 Acción Integral w e u 1500 rpm Kp Ampl. + - M Ing. 1500 rpm

34 PI Bias ajustable e Kp + w u - y e(t) = w – y u(t)=Kp e(t) + bias LT

35 Acción integral (automatic reset)
w w y y t t u u t t La acción integral continua cambiando la u hasta que el error es cero Un regulador P no elimina el error estacionario en procesos autoregulados

36 Acción Integral Si e=cte. e e Kp e t t Ti = 1 repetición
Ti tiempo que tarda la acción integral en igualar a la acción proporcional (un repetición) si e=cte.

37 Acción derivativa w e u Kp Ampl. M e Ing.
+ - M e Ing. La acción derivativa corrige los cambios bruscos de la señal de control u debidos a cambios rápidos del error

38 Acción derivativa e = w - y w y w y t t u u t t
Un regulador P con ganancia alta para dar respuesta rápida puede provocar oscilaciones por u excesiva La acción derivativa modera la u si e decrece rapidamente, evitando oscilaciones

39 Acción derivativa PD Kp e Si e= a t e e Kp Td a t t Td
Con e variando linealmente, la acción derivativa da la misma u que la acción proporcional daría Td sg. mas tarde Acción anticipativa No influye en el estado estacionario

40 Acción derivativa Kp e Si e= a t e e Kp Td a t t Td
Td tiempo que tarda la acción derivativa en igualar a la acción proporcional si e= a.t.

41 Métodos de sintonía de PID
Métodos de prueba y error Métodos basados en experimentos Estimar ciertas características dinámicas del proceso con un experimento Cálcular los parámetros del regulador mediante tablas o fórmulas deducidas en función de las características dinámicas estimadas Métodos analíticos basados en modelos Minimización de indices de error Márgenes de Fase y/o ganancia 11

42 Prueba y Error w w y y 1 Aumentar Kp 2 Aumentar Td w y 3 Disminuir Ti
Partir de valores bajos de Kp, y sin acción integral o derivativa Aumentar Kp hasta obtener una forma de respuesta aceptable sin excesivos u Aumentar ligeramente Td para mejorar la respuesta Disminuir Ti hasta eliminar el error estacionario w y 3 Disminuir Ti 12

43 Respuesta dinámica Cambio escalón de la variable manipulada nivel
tiempo

44 Respuesta dinámica MV u CV y Proceso tiempo tiempo Experimentación
Modelo matemático

45 Respuesta dinámica Transitorio Estacionario y u tiempo

46 Tipos de procesos Autoregulados No autoregulados o Integradores y y u
tiempo tiempo

47 Tipos de procesos Fase mínima Fase no-mínima o respuesta inversa y y u
tiempo tiempo

48 Estabilidad y y Estable Inestable u
respuesta en lazo abierto y respuesta en lazo abierto 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 -0.5 -0.5 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 Estable Inestable u A una entrada limitada corresponde una salida limitada

49 Amortiguamiento y y u Subamortiguado Sobreamortiguado
respuesta en lazo abierto y respuesta en lazo abierto 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 -0.5 -0.5 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 u Sobreamortiguado Subamortiguado

50 Respuesta dinámica tiempo de asentamiento +5% del valor final y u
Retardo

51 respuesta dinámica Sobrepico en % = 100 Mp/ y Mp Ganancia = y / u
tiempo

52 Ganancia Ganancia positiva Ganancia negativa o inversa y y u u tiempo

53 respuesta dinámica periodo de oscilación ys valor final 90 % ys y
tiempo de subida u tiempo