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Cartilla g30 b, nivel & caudal

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CONTROL DE NIVEL Y CAUDAL MODULO G30B CARTILLA GUÍA ELECTRÓNICA VENETA & INEL SPA Digitada por: JOSÉ LEONEL AMORTEGUI MARTÍNEZ PEDRO GIOVANNY BURGOS BÁEZ JESÚS FERNANDO CLAROS CAMARGO DIEGO EDISON PULIDO MARTÍNEZ ALEJANDRO RODRÍGUEZ DÍAZ Curso: MANTENIMIENTO ELECTRÓNICO E INSTRUMENTAL INDUSTRIAL 23981 Presentado a: WILLIAM RAFAEL GÓMEZ MARTÍNEZ CENTRO INDUSTRIAL DE MANTENIMIENTO Y MANUFACTURA SOGAMOSO. Abril De 2011.
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Page 1: Cartilla g30 b, nivel & caudal

CONTROL DE NIVEL Y CAUDAL

MODULO G30B

CARTILLA GUÍA ELECTRÓNICA VENETA & INEL SPA

Digitada por:

JOSÉ LEONEL AMORTEGUI MARTÍNEZ PEDRO GIOVANNY BURGOS BÁEZ

JESÚS FERNANDO CLAROS CAMARGO DIEGO EDISON PULIDO MARTÍNEZ

ALEJANDRO RODRÍGUEZ DÍAZ

Curso:

MANTENIMIENTO ELECTRÓNICO E INSTRUMENTAL INDUSTRIAL 23981

Presentado a:

WILLIAM RAFAEL GÓMEZ MARTÍNEZ

CENTRO INDUSTRIAL DE MANTENIMIENTO Y MANUFACTURA SOGAMOSO. Abril De 2011.

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NORMAS DE SEGURIDAD

Leer atentamente las advertencias contenidas en el presente manual, ya que proporcionan información Importante referente a la seguridad durante la instalación, el uso y el mantenimiento del módulo. Conservar el presente manual para cualquier consulta adicional. DESEMBALAJE Tras haber quitado el embalaje, poner a un lado todos los accesorios de modo que no se pierdan y cerciorarse de la integridad del módulo, en particular, que el mismo este integro y que no presente daños visibles. Antes de llevar a cabo la alimentación del módulo, cerciorarse de que los cables estén conectados debidamente con la unidad de alimentación Los cables de alimentación deberán colocarse de manera tal como para que no puedan ser pisados o aplastados por objetos. El módulo presenta hendiduras y aperturas para la ventilación, al objeto de garantizar un funcionamiento fiable del mismo y protegerlo contra el recalentamiento; las referidas hendiduras y aperturas no deberán obturarse ni cubrirse El modulo deberá situarse en una posición que permita su aireación. No colocar jamás de módulo sobre carretillas, sopones, trípodes, abrazaderas o mesas inestables, ya que podría caerse al sudo y causar lesiones a las personas o dañarse. Cualquier operación de instalación del modulo deberá gustarse a las instrucciones del fabricante y deberá realizarse utilizando los accesorios aconsejados. Este módulo deberá destinarse sólo para el uso para el cual ha sido manifiestamente concebido, es decir, como sistema didáctico, y deberá utilizarse bajo d directo control por parte de personal experto Cualquier otro uso deberá considerarse impropio y por lo tamo peligroso.

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PRECAUCIONES Al objeto de amparar la seguridad y la incolumidad del operador, así como el funcionamiento del módulo, el uso de aparatos eléctricos contempla el cumplimiento de algunas reglas fundamentales; en particular, deberán respetarse las normas de uso siguientes: Temperatura ambiente entre 0o C y 45° C Humedad relativa entre 20% y 80% Así como deberá evitarse cualquier cambio rápido de temperatura y humedad. En caso de avería y/o mal funcionamiento, apagar inmediatamente el equipo y no efectuar descomposturas. Para llevar a cabo Una eventual reparación, dirigirse al centro de asistencia técnica o pedir exclusivamente piezas de repuesto originales. El incumplimiento de lo anterior podrá perjudicar la seguridad del equipo mismo. Si penetraran objetos o líquidos en el interior del módulo, desconectar el cable de alimentación y pedir el control por parte de personal cualificado antes de utilizarlo nuevamente. LIMPIEZA DEL SISTEMA Utilizar un paño suave y seco para la limpieza del armazón y del panel sinóptico. Jamás utilizar insecticidas, productos químicos o disolventes. VIBRACIONES E IMPACTOS Prestar atención a no causar vibraciones o impactos.

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INDICE

1 DESCRIPCION DEL MODULO. 1.1 INTRODUCCIÓN. 1.2 DESCRIPCIÓN DE LOS BLOQUES. 1.2.1 SET-POINT & ERROR AMPLIFIER. 1.2.2 PID CONTROLLER. 1.2.3 POWER AMPLIFIER. 2 EL CONTROL AUTOMATICO. 2.1 GENERALIDADES.

2.1.1 ESQUENA DE BLOQUES.

2.1.2 SUBDIVISIÓN DO LOS SISTEMAS DE CONTROL.

2.1.3 FORMA CANÓNICA DE LOS SISTEMAS REALIMENTADOS.

2.1.4 SISTEMAS LINEALES - ECUACIONES DIFERENCIALES. 2.1.5 LA TRANSFORMADA DA LAPLACE. 2.1.6 FUNCIONES CANÓNICAS. 2.1.7 SENSIBILIDAD DE UN SISTEMA DE CONTROL. 2.1.8 PRECISIÓN DA UN SISTEMA DE CONTROL. 2.1.9 VELOCIDAD DE RESPUESTA - TIEMPO DE RESPUESTA. 2.1.10 ESTABILIDAD DE UN SISTEMA DE CONTROL. 2.1.11 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL.

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2.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL. 2.2.1 ACCIÓN PROPORCIONAL (P). 2.2.2 ACCIÓN INTEGRAL (I). 2.2.3 ACCIÓN DERIVADA (D). 2.2.4 ACCIÓN COMBINADA PID. 2.3 PREDISPOSICIÓN DEL CONTROLADOR. 2.4 EJERCICIOS.

2.4.1 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DE SALIDA DE UN CONTROLADOR PROPORCIONAL Y MEDIDA DE LA CONSTANTE DE PROPORCIONALIDAD.

2.4.2 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DE

SALIDA DE UN CONTROLADOR DE ACCIÓN INTEGRADA Y MEDIDA DE LA CONSTANTE DE TIEMPO.

2.4.3 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DE

SALIDA DE UN CONTROLADOR DE ACCIÓN DERIVADA Y MEDIDA DE LO CONSTANTE DE TIEMPO.

2.4.4 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DE

SALIDA DE UN CONTROLADOR DE ACCIÓN PROPORCIONAL-INTEGRAL.

2.4.5 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DE

SALIDA DE UN CONTROLADOR DE ACCIÓN PID (PROPORCIONAL-INTEGRAL-DERIVADA)

3 CONTROL AUTOMATICO DE NIVEL. 3.1 REGULACIÓN CON CONTROLADOR DE TIPO P. 3.2 REGULACIÓN CON CONTROLADOR DE TIPO P 1 Y P I D. 3.3 EJERCICIOS.

3.3.1 CONTROL AUTOMÁTICO DE NIVEL EN BUCLE CERRADO.

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3.3.2 CONTROL AUTOMÁTICO DE NIVEL EN BUCLE CERRADO: EFECTO DE LA COMPONENTE PROPORCIONAL DEL CONTROLADOR PID.

3.3.3 CONTROL AUTOMÁTICO DE NIVEL-EN BUCLE CERRADO: EFECTO DE LAS COMPONENTES INTEGRAL V DERIVADA DEL CONTROLADOR PID.

4 CONTROL AUTOMATICO DE CAUDAL. 4.1 CONTROL AUTOMÁTICO DEL PROCESO DE CAUDAL. 4.2 EJERCICIOS. 4.2.1 CONTROL AUTOMÁTICO DE CAUDAL EN BUCLE CERRADO.

4.2.2 CONTROL AUTOMÁTICO DE CAUDAL EN BUCLE CERRADO: EFECTO DE LA COMPONENTE INTEGRAL DEL CONTROLADOR PID.

4.2.3 CONTROL AUTOMÁTICO DE CAUDAL EN BUCLE CERRADO:

EFECTO DE LAS COMPONENTES INTEGRAL Y DERIVADA DEL CONTROLADOR PID.

5 CALIBRACIONES. 6 DATA SHEETS.

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CAPITULO 1 DESCRIPCION DEL MODULO

1.1 INTRODUCCION El módulo G30B/EV permite el estudio teórico-experimental de las técnicas de-control automático y realiza, junto con el móduloG30A/1V, un control automático nivel y de caudal. Se compone de un panel sinóptico en el; cual se encuentran el diagrama eléctrico de cada bloque que constituye el circuito completo, las conexiones entre los distintos bloques y los puntos de medida. En la figura 1.1 se muestra la serigrafía del módulo. Como se puede observar, el módulo está subdividido. en tres bloques funcionales que encierran otros tantos circuitos eléctricos. Estos circuitos eléctricos realizan funciones bien precisas en el interior del circuito general y por lo tanto se separaron de manera esquemática. Los tres bloques que constituyen- el módulo G30B/EV se describirán de manera detallada, tanto desde el punto de vista electrónico como sistemístico en los capítulos subsiguientes. En la parte superior de la derecha se encuentran los bujes para la conexión a las tensiones de alimentación: se necesita una tensión de +12 Vcc/0.5 A, una de -12 Vcc/0.5 A para .la parte de control y una tensión de +12 Vcc/-1.5 A para la parte de potencia (alimentación de la bomba del módulo G30A/EV). Todas las componentes electrónicas situadas en el módulo G30B/EV son fácilmente accesibles por la parte trasera del módulo mismo; en efecto, es suficiente desenganchar los ganchos de sujeción de la protección de plexiglás para operar directamente en el circuito.

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1.2 DESCRIPCION DE LOS BLOQUES

El controlador de nivel y de caudal G30B/EV está formado por los bloques siguientes: SET-POINT & ERROR AMPLIFIER

PID CONTROLLER

POWER AMPLIFIER

Cuyas funciones principales son las siguientes: SET-POINT: es el bloque a través del cual se plantea el valor deseado para

la magnitud de salida .

ERROR AMPLIFIER: realiza la función de comparación entre el valor planteado a través del set-point y el valor efectivamente obtenido en la salida.

PID CONTROLLER: tiene la función de procesar la señal de error (salida del bloque ERROR AMPLIFIER), de modo que la salida asuma la curva deseada.

POWER AMPLIFIER tiene la función de "dosificar" la potencia eléctrica suministrada .por la fuente de alimentación al actuador para variar el valor de la magnitud de salida.

Los tres bloques del módulo G30B/EV se analizan «en detalle en los apartados siguientes. 1.2.1 Set-Point & Error Amplifier El bloque SET-POINT tiene la función de suministrar la señal de entrada para todo el módulo. El bloque esquematizado en el panel con las señales de entrada y salida está realizado a través del circuito de la figura 1.2. La componente electrónica Z1 es una referencia de tensión variable; en efecto, actúa de modo que se varíe la tensión del cátodo K (buje 1) hasta que la tensión del. punto REF sea igual a una tensión de referencia interna al regulador mismo. Esta tensión de referencia vale 2.7 V aproximadamente, mientras que la tensión REF depende de la tensión del cátodo K y del divisor de tensión resistivo formado por R2, R3, RV1 y RV2. A través de la acción de los trimmeres RV sé varía el valor del divisor de tensión hasta alcanzar el valor de tensión deseado en el cátodo. La resistencia R1 tiene la

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función de causar la caída de tensión entre la tensión de alimentación (+12 Vcc) y la tensión deseada en el cátodo. La presencia de dos trimmeres (RV1 y RV2) se debe a la gama diferente ¿e las tensiones de salida de los acondicionadores de señal para los transductores de nivel y de caudal presentes en el módulo G30A/EV. En particular, con el interruptor 11 abierto (nivel), la gama (o sea, la tensión en el cátodo) vale 8 Vcc, mientras que con 11 cerrado (caudal) la gama vale 6 Vcc. El descenso de la tensión en el cátodo está determinado por la conexión en paralelo de RV1 con RV2, que disminuye el valor resistivo general. Con el potenciómetro P1, regulable mediante la perilla presente en el título, se saca una parte de la tensión generada por Z1. Esta, tensión constituye la señal de referencia para todo el módulo. El bloque "ERROR AMPLIFIER " (fig. 1.3) es el bloque -que realiza la comparación entre el valor de entrada (set-point) y el valor alcanzado por la magnitud de salida. Está constituido por un amplificador operacional en configuración diferencial cuya salida está dada (ya que R7/R4=R6/R5) por la diferencia entre las señales presentes en las dos entradas multiplicada por la relación R7/R4. El trimmer RV3 tiene la función de poner a cero la tensión de offset del amplificador operacional. La entrada FEEDBACK está seguida por un BUFFER (IC1) que permite separar el circuito que genera el FEEDBACK del ERROR AMPLIFIER.

Fig. 1.2

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Fig. 1.3 1.2.2 PID Controller La finalidad del controlador PID es la de "moldear" la marcha del error, de modo que se obtenga en la salida el comportamiento deseado para la física analizada. El esquema de bloques del controlador PID se muestra en la figura 1.4

Fig. 1:4

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El diagrama eléctrico del bloque PROPORTIONAL se muestra en la figura 1.5. Este bloque está constituido por un amplificador operacional en conexión inversora, cuya ganancia (con proporcionalidad constante del controlador proporcional) es proporcionada por la relación entre la resistencia formada por la serie de R7 y P2 con R5.

Fig. 1.5 La salida del bloque PROPORTIONAL resulta desfasada de 180° (amplificador inversor) con respecto a la entrada, pero ésto no constituye un problema ya que la salida del controlador PID está realizada mediante un sumador inversor que, por consiguiente, vuelve a llevar la fase a 0°. Los dos diodos Zener Z1 y Z2 tienen la función de impedir que la salida del amplificador operacional se sature; en efecto, cuando la tensión de la salida sobrepasa el valor característico del diodo (en nuestro caso, 9.1 voltios), la impedancia de éste último desciende limitando el valor de la ganancia del amplificador. El diagrama eléctrico del bloque INTEGRATIVE se muestra en la .figura 1 .6 . Este bloque está constituido por un amplificador operacional conectado como integrador puro, cuya constante de tiempo es proporcionada por el valor de la serie de R6 y P1 multiplicada por C2; por lo tanto, variando P1 es posible Variar la constante de tiempo de la acción integral. Por lo que se refiere a la relación de fase entre la entrada y la salida, considérense los mismos fundamentos enunciados para la acción proporcional. .

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Fig. 1.6

El diagrama eléctrico, del bloque DERIVATIVE se muestra en la figura 1.7. Este bloque está constituido por un amplificador operacional conectado como derivador, cuya constante de tiempo es proporcionada por el valor de la serie de R8 y P3 multiplicada por C1; por lo tanto, variando P3, es posible variar la constante de tiempo de la acción derivada.

Fig. 7

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El condensador C3 tiene la función de reducir la influencia de los disturbios de alta frecuencia que, en el caso del derivador, son muy elevados. Por lo que se refiere a la relación de fase entre la entrada y la salida, considérense los mismos fundamentos enunciados para la acción proporcional. 1.2.3 Power Amplifier El amplificador de potencia tiene la función de sacar la señal de salida del controlador PID, adaptar su amplitud a la gama del actuador y sobre todo amplificar su potencia de modo que pueda aplicarse al actuador mismo. El esquema del POWER AMPLIFIER insertado en el módulo G30B/EV/EV se muestra en la figura 1.8. El actuador analizado (la bomba de la Unidad TY30A/EV) tiene una gama comprendida entre 0 y +12 Vcc, mientras que el controlador PID tiene una gama entre 0 y 8 Vcc; para que exista proporción entre las dos señales, la ganancia en tensión del amplificador de potencia tiene que ser 1,5. El amplificador operacional IC5 está conectado ccpn conexión no inversora. En este caso su ganancia de tensión es proporcionada por:

G = 1+Rf/Ri En donde Rf es la resistencia de realimentación (resistencia entré la salida y la entrada inversora) y Ri es la resistencia conectada entre la entrada inversora y masa. En nuestro caso resultará:

G = 1+R2/R1 = 1+10K/22K =1.45 La explicación del circuito general implica el análisis del funcionamiento de los dos transistores; en particular, el amplificador operacional varía su salida hasta que la tensión del punto 15 alcance el mismo valor en la entrada multiplicado por la ganancia del amplificador mismo. Aumentando la tensión del punto 14, aumenta la corriente que entra a la base de T1 y proporcionalmente aumenta la corriente de colector. Este hecho origina una disminución de la tensión aplicada a la base de T2 y, por consiguiente, un aumento de la corriente de colector de T2 que determina la tensión del punto 15.

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El condensador C1 tiene la función de estabilizar el sistema evitando oscilaciones. Las resistencias R4 y R5 tienen la función de polarizar T2, el diodo D1 limita la tensión negativa a la que se puede someter la base de T1 (sobre todo durante transitorios, tras el encendido, para .variaciones de la corriente absorbida por la bomba, etc.).

Fig. 1.8

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CAPITULO 2

EL CONTROL AUTOMATICO 2.1 GENERALIDADES Antes de encarar la explicación del control de caudal o de nivel, se desea proporcionar un resumen de las nociones fundamentales de Regulación Automática necesarias para entender el control mismo. Primero, se desea aclarar que no se realizará un estudio sobre la Teoría de los Controles Automáticos, sino que se enunciarán sólo las nociones de dicha teoría que sirven para la explicación de los controles 'de procesos. Con el término PROCESOS FISICOS" o simplemente "PROCESOS" se define un conjunto de transformaciones físicas y/o transmisiones de materia y/o energía. Ejemplos de procesos industriales pueden ser: la refinación del petróleo, la laminación de los metales, la producción de Vapor, etc. Estos procesos complejos están constituidos por procesos más sencillos y a éstos últimos se hará referencia en este manual, sin quitarle nada a las generalidades de los procesos industriales. En efecto, la Teoría de los Controles Automáticos demuestra que a través del conocimiento de cada una de las partes del sistema se puede obtener el conocimiento del sistema global. Con el término "CONTROL" se define el conjunto de las acciones realizadas para gobernar un proceso de modo que asuma la marcha deseada. Con el término "CONTROL AUTOMATICO" se define el conjunto de las acciones de control realizadas sin -la intervención del hombre. Estas acciones serán realizadas por los dispositivos que constituyen el "SISTEMA DE CONTROL". En un control manual la acción desarrollada por el hombre varía continuamente en base al resultado suministrado a través de la comparación entre la información relativa al valor de la magnitud controlada y la información relativa al valor establecido' para dicha magnitud.

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En cambio, en la regulación automática el sistema es capaz de controlar por sí mismo las variables dé la acción de control con el fin de cancelar la-diferencia entre el valor asumido por la magnitud controlada y el valor establecido por ella. Con el término "ENTRADA" o "SÉT-POINT" se define la estimulación o excitación) aplicada al sistema de control. Representa el comportamiento ideal de la salida del proceso. La “SALIDA” del proceso es la variable del proceso que se desea controlar. Con el término "SISTEMA", se define el conjunto constituido por el proceso y el sistema de control. 2.1.1 ESQUEMA DE BLOQUES . En el estudio de los sistemas de control es útil describir gráficamente la interacción, de los distintos componentes, con el fin de poner en evidencia los flujos de las informaciones transmitidas y las acciones de cada variable de proceso sobre las otras. Esta técnica de representación gráfica se denomina "ESQUEMA DE BLOQUES FUNCIONALES” En la fig. 2.1.1 se muestra un bloque funcional con segmentos dirigidos de entrada y salida que representan el flujo de las informaciones.

fig. 2.1.1

Para caracterizar un bloque no es necesario describir su composición constructiva, sino que es suficiente definir solamente la salida en función de la entrada.

ENTRADA E

BLOQUE

SALIDA U

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El modo más preciso para hacerlo es el de utilizar la "Función de Transferencia", que, en general, puede expresarse de la manera siguiente:

En donde E es la señal de entrada (en la variable s, véase la transformada de Laplace) y U es la señal de salida (siempre en la variable s). Las operaciones de suma y resta están representadas con nudos sumadores y restadores; estos nudos se reconocen por medio de círculos con signos "+" y " - '.' asociados a las flechas entrantes y salientes del círculo (fig. 2.1.2). Un sumador puede tener un número de entradas cualquiera.

fig. 2.1.2 Para enviar la misma señal a la entrada de varios bloques o sumadores, se utiliza el punto de derivación (fig. 2.1.3). Comenzando por una primera representación de bloques del sistema, es posible sustituir poco a poco dos o más bloques elementales por un bloque único, cuya función de transferencia corresponderá a la combinación de las funciones de transferencia de cada bloque, llegando así a representar también todo el sistema con un único bloque. Las reglas que permiten la ejecución de estas operaciones se reúnen bajo la denominación de "álgebra de los esquemas de bloques".

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Fig. 2.1.3

2.1.2 SUBDIVISIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL Los sistemas de-control están subdivididos en dos categorías generales y precisamente: Sistemas en bucle abierto.

Sistemas en bucle cerrado o realimentados.

Un sistema en bucle abierto está caracterizado por el hecho de que la acción de control es independiente de la salida. En cambio, en los sistemas en bucle cerrado la acción de control depende de alguna manera de la salida. En efecto, es el descarte entre el valor de la magnitud controlada y el valor de la magnitud de referencia que origina una acción que tiene, como finalidad última, la anulación de dicho descarte. El esquema de bloques de un sistema genérico de control con realimentación negativa se muestra en la fig. 2.1.4.

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X1

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fig. 2.1.4

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El significado de los bloques y de las señales es el siguiente: Controlador: está constituido por el conjunto de los dispositivos precisados

para generar la señal de control específica a aplicar al amplificador y por lo tanto al proceso.

Transductor y Acondicionador de Señal: son los dispositivos que convierten la magnitud física dé la salida controlada en una magnitud homogénea con él Set-Point.

Señal de Error: es la señal obtenida por la diferencia entre la señal de Set-Point y la señal de realimentación suministrada por el Acondicionador de Señal.

Disturbio: es una señal (de entrada) indeseada que modifica el valor de la salida.

Las ventajas fundamentales de los sistemas de control en bucle cerrado con respecto a los sistemas en bucle abierto y que justifican la utilización del control en bucle cerrado, se pueden resumir de la manera siguiente: Menor sensibilidad a las variaciones paramétricas

Menores efectos de magnitudes de disturbio

La importancia de estas dos ventajas resulta ulteriormente aclarada por el hecho de que las variaciones paramétricas y los disturbios generalmente son de carácter aleatorio, o sea no son previsibles sino únicamente en sus características estáticas. 2.1.3 FORMA CANÓNICA DE LOS SISTEMAS REALIMENTADOS Considérese-el sistema realimentado cuyo esquema a, bloques se muestra en la fig. 2.1.5. Esta configuración se denomina "Forma Canónica" de un sistema de control realimentado. Un sistema cualquiera realimentado (complejo como se desee) puede ser reducido a la forma canónica.

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fig. 2.1.5 2.1.4 SISTEMAS LINEALES - ECUACIONES DIFERENCIALES Un sistema analógico se dice LINEAL (por lo tanto, describible por una ecuación diferencial lineal) si satisface la propiedad siguiente: si una entrada X1(t) produce una salida Y1(t) y una entrada X2(t) produce una salida Y2(t), entonces una entrada C1-X1(t)+C2-X2(t) produce una salida C1•Y1(t) + C2-Y2(t), para cada par.de entradas X1(t) y X2(t), y cada par de constantes reales C1 y C2. En otras palabras, el concepto de linealidad puede representarse por el principio de superposición de los efectos. En la realidad ningún sistema físico puede describirse exactamente por una ecuación diferencial lineal de coeficientes constantes; sin embargo, muchos sistemas pueden aproximarse mediante dichas ecuaciones, si bien en ámbitos limitados. La solución de- una ecuación diferencial lineal de coeficientes constantes constituye la respuesta del sistema por la misma descrito. Esta solución puede subdividirse en dos partes: Respuesta libre

Respuesta forzada

Con el término "respuesta libre" se define la solución de la ecuación diferencial cuando la variable de entrada es idénticamente, nula. Con el término "respuesta forzada" se define la solución de la ecuación diferencial cuando todas las condiciones iniciales son nulas y se aplica la función de entrada. La suma de estas dos ecuaciones constituye , la respuesta total del sistema.

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La respuesta total puede también considerarse como la suma de dos respuestas particulares y precisamente: Respuesta en régimen transitorio

Respuesta en régimen permanente

Estas dos respuestas a menudo se utilizan para especificar las características del sistema y tienen el mérito dé que no se obtienen por vía matemática, sino por vía experimental, con funciones canónicas de entrada específicas. 2.1.5 LA TRANSFORMADA DE LAPLACE A menudo, para resolver problemas de diseño de procesos, se utiliza la técnica de sustituir funciones de variable real (usualmente el tiempo) con representaciones o funciones que dependen de la frecuencia. La Transformada de Laplace es una de estas técnicas. Pone en relación funciones del tiempo con funciones de variable compleja, en donde la parte imaginaria de dicha variable es la frecuencia. En particular, el uso de esta técnica matemática es muy útil para resolver las ecuaciones diferenciales lineales de coeficientes constantes. Tras haber resuelto el problema en términos de función de variable compleja, es necesario regresar al dominio del tiempo con una transformación inversa (Antitransformada de Laplace). 2.1.6 FUNCIONES CANÓNICAS. En el estudio de los sistemas de control se utilizan- principalmente las funciones canónicas siguientes: Función de impulso unitario

Función de escalón unitario

Función de rampa unitaria

Cada una de estas funciones; está relacionada con las otras por una o más integraciones o derivaciones. Estas funciones asumen importancia por el hecho de que la respuesta obtenida por el proceso con estas entradas, suministra las indicaciones útiles para la determinación de las características del sistema mismo.

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En particular, las características que se pueden obtener son: Sensibilidad

Precisión

Velocidad de respuesta

Estabilidad

2.1.7 SENSIBILIDAD DE UN SISTEMA DE CONTROL La sensibilidad se define como la más pequeña variación de la magnitud de referencia que provoca variaciones en la magnitud de salida o también como el error más pequeño que da lugar a una acción de control. 2.1.8 PRECISIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL La precisión indica la aproximación con la cual la magnitud controlada se mantiene al valor de referencia. La diferencia entre el valor, de referencia y el valor efectivo de la magnitud controlada se define como error. La precisión y los errores pueden medirse tanto en régimen estático como en régimen transitorio; en el primer caso tendremos el error estático y en el segundo caso el error dinámico. 2.1.9 VELOCIDAD DE RESPUESTA - TIEMPO DE RESPUESTA La velocidad de respuesta representa la rapidez del sistema para alcanzar una nueva posición de equilibrio; la misma depende de las constantes de tiempo, o sea de los retardos introducidos por los distintos elementos, que constituyen el sistema. De manera similar se define como "Tiempo de Respuesta", el tiempo necesario para alcanzar la posición de equilibrio.

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El- tiempo de respuesta puede medirse en dos modos diferentes,, como se muestra en la figura 2.1.6. Si.no se especifica de otro modo, se hará referencia siempre al primer modo.

fig. 2.1.6 2.1.10 ESTABILIDAD DE UN SISTEMA DE CONTROL La estabilidad indica la capacidad del sistema para alcanzar la posición de equilibrio con una marcha de tipo aperiódico u oscilatorio amortiguado. En cambio, si se establecen oscilaciones de amplitud permanente o creciente, el sistema se define inestable. El fenómeno de la inestabilidad resulta por la presencia de los elementos de retardo' en los componentes del sistema de control, lo que da lugar a fenómenos de sobrerregulación que pueden justamente generar oscilaciones permanentes.

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En la fig. 2.1.7 se muestran las -curvas de. tres tipos de aperiódico, periódico amortiguado y periódico permanente.

Fig. 2.1.7

Si se estuviera en presencia de oscilaciones amortiguadas, se precisa conocer el valor máximo alcanzado por la magnitud controlada durante el transitorio (Vcm) y su relación con respecto al valor con el transitorio acabado (Vco°) (fig. 2.1.8).

fig. 2.1.8

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Se define sobreelongación la relación:

𝑺𝒆 =𝑽𝒄𝒎 − 𝑽𝒄∞

𝑽𝒄∞

2.1.11 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL El objetivo principal en el análisis de un sistema de control realimentado es la determinación de las características siguientes La respuesta al transitorio

La respuesta en régimen permanente

El nivel de estabilidad

Generalmente, no es suficiente conocer si un sistema es estable, sino que es necesario determinar .la estabilidad relativa; es decir, "cuánto" dicho sistema es estable. La estabilidad relativa, por otro lado, está bien relacionada con la respuesta transitoria del sistema, razón por la cual la respuesta transitoria asume un rol fundamental en el análisis de las características globales del sistema mismo. Ya que en el dominio del tiempo es más bien dificultoso analizar (o sea, resolver directamente la ecuación diferencial) sistemas de orden superior al segundo, existen distintos METODOS GRAFICOS que permiten el análisis de los sistemas de control realimentados. Dichos sistemas son: El lugar de las raíces (estudio en el dominio de s)

El diagrama de Bode (estudio en el dominio de w)

El diagrama de Nyquist (estudio.en el dominio de w)

La carta de Nichols (estudio en el dominio de w)

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2.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL Por lo que sé refiere al diseño, el objetivo principal es el de obtener, las especificaciones de comportamiento deseadas en términos de velocidad de respuesta, precisión y estabilidad. Estas últimas pueden enunciarse en dos formas distintas y precisamente: Especificaciones en el dominio de la frecuencia

Especificaciones en el dominio del tiempo

Las especificaciones en el dominio de la frecuencia generalmente se presentan en los términos siguientes: a) margen de ganancia b) margen de fase . c) ancho de banda d) cutoff rate e) amplitud pico de resonancia f) frecuencia de resonancia. Las especificaciones en el dominio del tiempo generalmente se definen en términos de respuesta al escalón unitario. Esta última tendrá una componente de régimen permanente y una de régimen transitorio. La prestación en régimen permanente es un índice de la exactitud del sistema, mientras que el comportamiento transitorio proporciona una indicación sobre la velocidad de respuesta y la estabilidad relativa. Las especificaciones típicas en el dominio del tiempo son: a) overshoot b) tiempo de retardo c) tiempo de subida d) tiempo de ajuste

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e) constante de tiempo determinante. Para obtener las especificaciones deseadas, considerando que la instalación tiene una función de transferencia difícilmente modificable, en el. sistema de control se debe introducir un bloque apropiado,' el "CONTROLADOR" (fig. 2.1.4). El controlador puede ser de tipo activo (amplificador^ integral, derivado, o bien de dos o tres posiciones) y de tipo pasivo (red anticipadora o red retardadora). Modificando las características de un controlador estándar se pueden obtener las respuestas deseadas por el proceso (predisposición del controlador). Los controladores estándar generalmente utilizados en la industria son de tipo activo y enlazan las acciones Proporcional, Integral y Derivada a los parámetros regulables, que dan lugar a las acciones que se describen a continuación. Además, para algunas aplicaciones es suficiente el uso de un controlador más sencillo de dos posiciones (ON/OFF) para los sistemas 0 unidireccionales o de tres posiciones para los sistemas bidireccionales. La intervención de un controlador de éste último tipo determina la aplicación por pasos de toda la potencia al actuador, con consiguiente marcha "triangular" de la variable controlada. 2.2.1 ACCIÓN PROPORCIONAL (P) Es la acción introducida por un amplificador/atenuador. La salida, aparte el coeficiente multiplicador, es una copia perfecta de la entrada. En la fig. 2.2.1 se muestra un amplificador/atenuador cuya función de transferencia vale KP.

fig. 2.2.1

I

N

D

I

C

E

Page 29: Cartilla g30 b, nivel & caudal

2.2.2 ACCIÓN INTEGRAL (I) Esta acción es introducida por un integrador puro. La función de transferencia del bloque (fig. 2.2.2) que realiza la acción integral, vale:

𝑊 𝑠 = KI

s=

1

𝜏𝐼 ∗ 𝑠

En donde 𝜏I se denomina "Constante de Tiempo de la Acción Integral". La salida, relativa a una entrada de escalón, presenta, un retárdo de tipo lineal. . Tras un tiempo equivalente a la constante de la .Acción. Integral, la salida alcanza el valor de la entrada (fig. 2.2.3).

Fig. 2.2.2

Fig. 2.2.3

v¡ 𝑉𝑜 =

𝐾𝑖

𝑠∗ 𝑉𝑖

Ki

S

I

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I

C

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Page 30: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Hay que observar que, tras haber alcanzado el valor de la entrada, la salida continúa a salir con la misma inclinación hasta que la entrada se anula. 2.2.3 ACCIÓN DERIVADA (D) Es la acción introducida por un derivador puro (fig. 2.2.4). La salida, relativa a una entrada de rampa lineal, tiene un valor equivalente al que asumirá la entrada tras un tiempo equivalente a la constante de la acción derivada. La función de transferencia vale:

W(s) = s*KD = s-𝜏D en donde xD se denomina "Constante dé Tiempo de la Acción Derivada" y cuyo significado físico se muestra en la,fig. 2.2.5

fig. 2.2.4 !Cabe observar que el valor de la salida, equivalente al -valor que asume la entrada

tras' el tiempo 𝜏D, se mantiene hasta cuando la entrada cambia inclinación.

fig.. 2.2.5

Vi

KD.s

VO= KD *S*Vi

-

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Page 31: Cartilla g30 b, nivel & caudal

2.2.4 ACCIÓN COMBINADA PID Poniendo juntas las acciones proporcional, integral y derivada se obtiene un controlador como el que se muestra en la fig. 2.2.6.

La función de transferencia total del controlador vale:

W s = KP +Ki

s+ KD ∗ s

“Grafica Pagina Siguiente”

fig. 2.2.6

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I

C

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Page 32: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Diagramas De BODE Para Distintas Clases De Controladores

Fig. 2.2.7

Page 33: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Diagramas De BODE Para Distintas Clases De Controladores

Fig. 2.2.8 2.3 PREDISPOSICIÓN DEL CONTROLADOR Cuando en un proceso realimentado se introduce un controlador estándar PID, surge el problema que hay que determinar los parámetros KP, KT y KD, de modo que se obtenga la magnitud de salida controlada según las especificaciones de diseño. Generalmente, para resolver este problema se tiende a elegir primero el valor de KP excluyendo las otras dos acciones eventualmente presentes y, por lo tanto, obteniendo los valores antes de KI y luego de KD por tentativas sucesivas. Sin embargo, están disponibles unos procedimientos que se obtienen de innumerables pruebas empíricas en los procesos, que permiten determinar la predisposición del controlador para una respuesta óptima. Los procedimientos estándar de predisposición pueden subdividirse en dos grupos, en base a que la predisposición esté basada sobre. a) el comportamiento en el límite de la estabilidad de todo el sistema realimentado. b) la respuesta temporal que el proceso en bucle abierto, presenta eñ la entrada de escalón. Los procedimientos del primer grupo suponen la posibilidad de llevar el sistema 'de control (en bucle cerrado) al límite de la estabilidad, actuando de. manera apropiada sobre los parámetros del controlador.

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Page 34: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Resulta obvio que las oscilaciones de las magnitudes variables, en condiciones de límite de la estabilidad, no tienen que dañar, el proceso. El más conocido de entre los procedimientos propuestos es el de Ziegler- Nichols, que está constituido por las operaciones siguientes: Exclusión de la acción integra Exclusión de la acción derivada

Comenzando por el valor mínimo, aumento de KP hasta llevar el sistema en

bucle cerrado al límite de la estabilidad Detección del valor KPc de KP para el cual el sistema se vuelve inestable Detección del periodo Te de la oscilación que se establece en el sistema

cuando se encuentra en el límite de la estabilidad. Disponiendo así de los dos valores KPc y Te, el método de ZieglerNichols sugiere la predisposición de los parámetros del controlador, en los distintos casos posibles, en base a las indicaciones que se muestran en la tabla siguiente.

Los procedimientos del segundo grupo suponen la posibilidad de realizar en el proceso en bucle abierto la medida de la respuesta inicial.

CONTROLADOR

KP KP/KI KD/KP

P 0.5-KPc

P I

0.45-KPc 0.85-Tc

P I D 0.6-KPc 0.5-Tc 0.12'Tc

Page 35: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Ziegler y Nichols proporcionaron fórmulas también para este grupo y el procedimiento puede resumirse de la manera siguiente (hágase referencia a la fig. 2.3.1) Abrir el bucle de realimentación Llevar la ganancia. KP al valor unitario Excluir las acciones integral y derivada Poner en la entrada una señal de escalón unitario y. detectar la respuesta en la

salida del acondicionador de señal, que resultará del tipo de la fig. 2.3.1 en donde se ponen en evidencia los . tres parámetros fundamentales:

K = ganancia

Tm = tiempo muerto

T = constante de tiempo

Page 36: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Este método de Ziegler-Nichols suministra las fórmulas para obtener los valores de

KP, 𝜏i y 𝜏D de los parámetros del controlador a partir de los datos detectados. Estas fórmulas se muestran en la tabla siguiente.

CONTROLADOR KP KP/KI KD/KP

P

1 T K _. _ _

Tm

P I

0.9 T _. _ _

K Tm

3.3 Tm

P I D

1.1 T _. _ _ K Tm

2 Tm 0. 5 Tm

Page 37: Cartilla g30 b, nivel & caudal

2.4 EJERCICIOS Para realizar todos los ejercicios de este capítulo será suficiente utilizar el módulo G30B/EV solamente, una fuente de alimentación con tensión de salida ±12 Vcc/0.5 A y los instrumentos siguientes: Generador de funciones Osciloscopio, de doble traza 2.4.1 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de un controlador proporcional y medida de la constate de proporcionalidad Realizar el circuito de la figura 2.4.1

Alimentar el modulo G30B/EV con la tensión ± 12Vcc/0.5 A.

Aplicar una señal se onda cuadrada de 100Hz de frecuencia, 100mv de

amplitud y valor medio nulo, entre el punto 5 y masa.

Conectar la sonda del osciloscopio al punto 5 y sincronizar el instrumento en esta señal.

Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12.

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro "PROPORTIONAL" la

ganancia del amplificador IC3B en el valor minino.

Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada.

Calcular el desfase entre la señal de entrada y la de salida.

Calcular la constante de proporcionalidad Kp del controlador proporcional (Kp es proporcionada por la relación entre la amplitud de la tensión de salida y la tensión de entrada).

Variar, a través de la perilla del potenciómetro "PROPORTIONAL", la

amplificación del amplificador IC3B y -controlar la variación de la tensión de salida y Kp.

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N

D

I

C

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I

N

D

I

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Page 38: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Variar la forma, de onda de la señal de entrada de cuadrada a sinusoidal y luego a triangular. Observar la respuesta del controlador proporcional a estos tipos de señales.

fig. 2.4.1 2.4.2 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de un controlador de acción integrada y medida de la constante de tiempo Realizar el circuito de la figura 2.4.2.

Alimentar el módulo G30B/EV con la tensión de ±12 Vcc/0.5 A.

Aplicar una señal de onda cuadrada de frecuencia 100 Hz, amplitud 2 voltios y

valor medio nulo, al punto 5.

Conectar una sonda del osciloscopio al punto 5 y sincronizar el instrumento en esta señal.

Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12.

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro "INTEGRATIVE", la

constante de tiempo del integrador en el valor mínimo.

Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada y justificar lo observado.

Calcular la constante.de tiempo teórica KI del controlador de acción integral,

según los valores de los componentes en la figura 2.4.2.

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Page 39: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Calcular, Utilizando el osciloscopio, la constante de tiempo KI del controlador de

acción integral (KI es el tiempo que necesita la salida para alcanzar el valor de la señal de entrada).

Variar, a través de la perilla del potenciómetro "INTEGRATIVE", la constante de

tiempo y controlar la variación de la tensión de salida y de KI.

Cambiar la frecuencia de la señal de entrada y controlar la variación de la señal de salida.

Aplicar ahora una señal con forma de onda sinusoidal de 100 Hz de frecuencia,

2 Vpp de amplitud y valor medio nulo, al punto 5. Controlar que la señal de salida sea la integral de la señal de entrada (integral

de sen(x)=-cos(x)) y que, a través del uso de la perilla del potenciómetro, intervenga la variación de la constante de tiempo en esta señal.

2.4.3 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de un controlador de acción derivada y medida de la constante de tiempo Realizar el circuito de la figura 2.4.3. Alimentar el módulo G30B/EV con la tensión de. ±12 Vcc/0.5 A.

Aplicar una señal de onda triangular de 100 Hz de frecuencia, 0.5 voltios de

amplitud y valor medio nulo, al punto 5.

fig.2.4.2

I

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I

C

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Page 40: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Conectar una sonda del osciloscopio al punto 5 y sincronizar el instrumento en esta señal

Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12.

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro "DERIVATIVE", la

constante de tiempo del derivador en el valor mínimo.

Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada y justificar lo observado.

Calcular la constante de tiempo teórica KD del controlador de acción derivada,

según los valores de los componentes de la figura 2.4.3.

Calcular, a través del osciloscopio, la constante de tiempo KD del controlador de acción derivada (KD .es. el tiempo necesario en la entrada para alcanzar el valor de la señal de salida).

Variar, a través de la perilla del potenciómetro "DERIVATIVE", la constante de

tiempo y controlar la variación de la tensión de salida y de KD.

Cambiar la frecuencia de la señal de entrada y controlar la variación la señal de salida.

Aplicar ahora una señal de forma de onda sinusoidal de 100 Hz de frecuencia, 2

Vpp de amplitud y valor medio nulo, al punto 5.

Controlar que la señal de salida sea la derivada de la señal de entrada (derivada de sen(x)=cos(X)) y que, a través del uso de la perilla del potenciómetro, intervenga la variación de la constante de tiempo en esta señal.

fig. 2.4.3

Page 41: Cartilla g30 b, nivel & caudal

2.4.4 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de un controlador de acción proporcional-integral Realizar el circuito de la figura 2.4.4.

Aplicar una señal de onda cuadrada de 50 Hz de frecuencia, 2 voltios de

amplitud y valor medio nulo, al punto 10.

Conectar una sonda- del osciloscopio al punto 5 y sincronizar' el instrumento en esta señal.

Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12.

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro. "PROPORTIONAL", la

constante de proporcionalidad Kp en el valor mínimo.

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro "INTEGRATIVE", la constante de tiempo del integradór en el valor mínimo.

Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada y justificar

lo observado.

Variar la constante de tiempo y la de proporcionalidad del valor mínimo al máximo y controlar la. variación la tensión de salida.

Cambiar la frecuencia de la tensión de entrada y controlar la variación la señal

de salida.

Fig. 2.4.4

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C

E

Page 42: Cartilla g30 b, nivel & caudal

2.4.5 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de controlador de acción PID (proporcional-integral-derivada) Realizar el circuito de la figura 2.4.5.

Aplicar una señal de onda cuadrada de 50 Hz de frecuencia , 2. V ii amplitud y

valor medio nulo,-al punto 5.

Conectar una sonda del osciloscopio al punto 5 y 'Sincronizar el instrumento en esta señal.

Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12.

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro "PROPORTIONAL``, la

constante de proporcionalidad Kp en el valor mínimo.

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro. "INTEGRATIVE``, la constante de tiempo del integrador en el valor mínimo,

Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro "DERIVATIVE", constante

de tiempo del derivador en el valor mínimo.

Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada justificar lo observado.

Variar la constante de tiempo KI, la-KD y la de proporcionalidad Kz del valor

mínimo al máximo y controlar la variación de la tensión de salida.

Cambiar la frecuencia de la tensión de entrada y controlar la variación de la señal de salida.

Controlar, en particular, a qué frecuencias tiene mayor peso la acción

proporcional, la integral y la derivada.

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Page 43: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Fig. 2.4.5

Page 44: Cartilla g30 b, nivel & caudal

CAPITULO 3 CONTROL AUTOMATICO DE NIVEL

Hágase referencia a la fig. 3.1, que muestra la unidad de proceso de nivel y caudal suministrada con el módulo G30A/EV "(Unidad TY30A/EV). Para las características de la Unidad TY30A/EV/EV se envía al manual del módulo G30A/EV.

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3.1 REGULACION CON CONTROLADOR DE TIPO P Con esta clase de regulador, la señal de salida del controlador es proporcional a su señal de entrada; la magnitud que podrá variarse en este caso es la constante de proporcionalidad, o sea la relación entre la salida y la entrada. Para cada valor de la señal dé entrada existe un valor dé la señal de salida este valor está determinado por la constante de proporcionalidad. Lo anterior tiene validez sólo si el controlador es ideal; con un controlador .real, si la señal de entrada es demasiado grande o si es demasiado grande la constante de proporcionalidad, se obtiene el fenómeno de la saturación y, por lo tanto, un comportamiento no lineal. Resulta, claro, por lo tanto, que el comportamiento es de tipo lineal sólo para una limitada banda de-valores de entrada (banda proporcional). Para observar mejor este hecho, hágase referencia a la fig. 3.2. La señal de error, obtenida por la comparación entre la señal de referencia (valor deseado para la salida) y la señal suministrada por el acondicionador de señal del transductor (valor efectivamente obtenido en la salida), generalmente constituye la señal dé entrada del controlador; esta señal, pasando a través del controlador de tipo proporcional, se amplifica por el valor de la constante de proporcionalidad (KP). Fuera de la banda proporcional (en donde el comportamiento es de tipo no lineal), el controlador determina un suministro de potencia del tipo ON/OF'F, O sea 'en el actuador se aplica toda la potencia disponible o bien ninguna, mientras que en su interior la potencia se modula. Tras haber acabado los transitorios, la potencia suministrada por el amplificador al actuador depende de la potencia suministrada a la carga y del rendimiento del actuador mismo.

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La característica principal de este controlador es la de tener siempre error diferente que cero; es más, se puede afirmar que el error es proporcional a la ganancia del controlador y depende, por lo tanto, del coeficiente KP y del valor de la banda proporcional misma. Se puede decir también que el error diferente que cero se necesita para obtener una tensión de salida diferente que cero. . Cabe observar también que, al aumentar del KP, si por un lado el error disminuye, por el otro el sistema se acerca a la condición de inestabilidad. En base a la banda proporcional planteada se obtienen diferentes marchas le la magnitud controlada (en nuestro caso el nivel) en función del tiempo. En la fig. 3.3 se pueden observar las diferentes marchas del control automático de nivel con:

a) Bp demasiado ancha b) Bp correcta c) Bp demasiado angosta

Page 47: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Fig. 3.3

3.2 REGULACION CON CONTROLADOR DE TIPO P I y P I D En el controlador de tipo integral la tensión de salida es la integral de la tensión de entrada. Hemos visto que la principal desventaja del controlador de acción proporcional es la de necesitar siempre una tensión de entrada diferente que cero (por consiguiente, error diferente que cero en sistemas de control en bucle cerrado) para tener una tensión de salida diferente qué cero. Con la Acción Integral se puede tener una salida diferente que cero con entrada nula, por consiguiente, reducir a cero el error en régimen permanente. El gran valor del controlador de acción integral es el de poder alcanzar una condición de régimen con error nulo; sin embargo, si la inercia del sistema es notable o si la constante de tiempo de la acción integral es elevada, puede ocurrir que el sistema sea llevado hacia la instabilidad (surgimiento de oscilaciones). Para evitar estos problemas, se pueden reunir las acciones proporcional e integral, de modo que se aprovechen los beneficios de los dos tipos de, regulaciones y se reduzcan los problemas introducidos. Si las oscilaciones continúan, se puede introducir la acción derivada, aparte de la proporcional -integral: la eficacia de la acción derivada depende en gran parte de la magnitud controlada. En el controlador de tipo derivado la salida.es la derivada de la función de entrada, por lo tanto, ejerce una influencia elevada sobre las señales que varían rápidamente. Como caso límite con tensión de entrada constante, su salida es nula.

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Page 48: Cartilla g30 b, nivel & caudal

A medida que el proceso se desarrolla en el tiempo, la acción derivada decae y se introduce la integral para reducir a cero el error de regulación con respecto al valor de régimen. Veremos que, en el caso de la regulación de nivel y posición, la influencia de la acción derivada es muy escasa debido a la lentitud con la cual varían las magnitudes en cuestión. 3.3 EJERCICIOS Nota: Para realizar las experiencias de control automático de nivel se

precisa la conexión de los módulos G30A/EV, G30B/EV y la unidad exterior TY30A/EV

Conexiones entre G30A/EV y G30B/EV: Conectar el buje 15 del módulo G30B/EV con la entrada +12 Vcc/1.5 A del

módulo G30A/EV

Conectar el buje 3 del módulo G30B/EV"con el buje 6 del módulo G30A/EV. Conexiones entre G30A/EV y TY30A/EV: Conectar los bujes "+" y "-" presentes en el interior del módulo G30A/EV (en

el bloque TRANSDUCERS UNIT TY30A/EV) ' con los correspondientes bujes de la Unidad TY30A/EV;

Conectar a través del cable al efecto, la toma de 8 polos del module G30A/EV con la de la Unidad TY30A/EV.

Alimentación del módulo G30A/EV: Conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 5 Vcc Alimentación del módulo G30B/EV: Conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 12 Vcc/1.5 A Las conexiones a realizar en el interior de los módulos G30A/EV 7 G30B/EV se detallarán en cada ejercicio.

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3.3.1 CONTROL AUTOMÁTICO DE NIVEL EN BUCLE CERRADO Realizar las conexiones sugeridas el apartado 3,3.

En el interior del módulo G30A/EV conectar el buje 6 con el buje 7 y el buje 8 con el buje 14; de esta manera el visualizador visualiza el nivel alcanzado.

En el interior del módulo G30B/EV conectar el buje 4 con el buje 5, .el buje 6 con el 7, el buje 8 con el 9, el-buje 10 con el 11 y el buje 12 con el 13.

El circuito realizado es el que se muestra en la figura 3.4.

Dividir por la mitad la válvula V1 de la Unidad TY30A/EV y llevar la válvula V2 en la posición ON.

Poner el interruptor I1 en la posición LEVEL.

Predisponer el PID CONTROLLER con la perilla PROPORTIONAL, la INTEGRATIVE y la DERIVATIVE en el valor medio.

Aplicar, a través de la perilla del bloque SET-POINT&ERROR AMPLIFIER del

módulo G30B/EV, una tensión de 0 voltios en el buje 2 y leer el nivel visualizado en el visualizador del módulo G30A/EV.

Apuntar la medida en la tabla 3.1.

Repetir la medida para todos los valores de tensión apuntados en la tabla.

Volver a llevar la tensión, del set-point al valor de 0 V.

Abrir un poco más la válvula V1 de modo que varíen las condiciones de funcionamiento del conjunto controlador-unidad controlada.

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Page 50: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Repetir las medidas anteriores y apuntarlas en la tabla 3.1. Apuntar en. la figura 3.5 los diagramas tensión de set-point/nivel en los dos

casos de apertura diferente de la válvula, Compara r los valores obtenidos en los dos casos:

Page 51: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Tabla 3.1

SET-POINT LEVEL-(mm)

0 V

1 V

2 V

3 V.

4 V

5 V

6 V

7 V

8 V .

Page 52: Cartilla g30 b, nivel & caudal

3.3.2 Control automático de nivel en bucle cerrado: efecto de la componente proporcional del controlador PID

Realizar las mismas conexiones del ejercicio anterior.

Poner el interruptor 11 en la posición LEVEL.

Insertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes1 6 y 7

y desconectar la conexión entre los bujes 8 y 9 y entre los bujes 10 y 11 del módulo G30B/EV), luego situar la perilla PROPORTIONAL en el valor mínimo.

En esta situación la ganancia del proporcional (véase el diagrama eléctrico de

este bloque) vale 1.

Aplicar, a través de la perilla del bloque SET-POINT, una tensión de 0 voltios y medir la tensión del buje 4 (salida del amplificador de error), que corresponde a la diferencia entre' el set-point y la magnitud de salida obtenida.

Repetir la medida de todos los valores de tensión apuntados en la tabla 3.2.

Llevar la ganancia del bloque PROPORTIONAL al valor 10. Para ello,

desconectar la entrada- y la salida del bloque PID CONTROLLER y conectar a la entrada una tensión fija (sacada, por ejemplo, del potenciómetro de SET-POINT) de 0.5 V de amplitud, regular la ganancia mediante la perilla PROPORTIONAL hasta que en el buje 12 esté presente una tensión de 5 V. Volver a conectar a la entrada y a la salida las señales anteriormente desconectadas.

Repetir todas las medidas efectuadas anteriormente y apuntar los valores

obtenidos en la tabla 3.2.

Apuntar en la figura 3.6 los datos de la tabla 3.2 y observar la variación del error en función de la ganancia del proporcional.

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Page 53: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Tabla. 3.2

SET-POINT. ERROR (V)»

Gain=1 ERROR (V)

Gain=10

0 V

1 y

2 V

3 V

4 V

5 V

6 V

7 V

8 V

Page 54: Cartilla g30 b, nivel & caudal

3.3.3 Control automático de nivel en bucle cerrado; efecto de las componentes integral y derivada del control PID Efectuar las mismas conexiones realizadas en el ejercicio anterior.

Poner el interruptor 11 en la posición LEVEL.

Insertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes 6 y 7 y

desconectar la conexión entre los bujes 8 y 9 y entre los buje 10 y 11 del módulo G30B/EV), luego situar la perilla PROPORTIONAL en el valor medio.

Aplicar, a través de la perilla del set-point, una tensión de 4 voltios y medir la

tensión del buje 4 (salida del amplificador de error) que corresponde a la diferencia entre el set-point y la magnitud de salida obtenida.

Insertar ahora también la acción integral conectando los bujes 8 y 9 y llevar el

potenciómetro INTEGRATIVE al valor medio: medir el error si eventuales transitorios se agotaron.

Observar que la acción integral tiende a poner en cero el error.

Llevar el potenciómetro INTEGRATIVE y el PROPORTIONAL al mínimo.

Medir el error en estas condiciones; poner cuidado a las eventuales oscilaciones

del sistema.

Si el sistema en estas condiciones oscila, justificar el hecho por el que el sistema ya no es estable.

Conectar el buje 10 con el buje 1.1 y llevar el potenciómetro DERIVATIVE al valor

medio.

Variar el valor de la acción derivada mediante el . potenciómetro DERIVATIVE. ' '

Observar cómo esta componente -no tenga una, gran importancia en- el control

automático de nivel.

Variar la posición de la válvula V1 para introducir una variación en la instalación a controlar y repetir las medidas efectuadas anteriormente.

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Page 55: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Observar cómo la regulación del controlador .PID depende del proceso controlado y también de las1 modalidades de funcionamiento de la instalación. misma.

Tratar ahora de conseguir la mejor regulación del controlador PID para una

posición específica de la válvula V1.

Page 56: Cartilla g30 b, nivel & caudal

CAPITULO 4

CONTROL AUTOMATICO DE CAUDAL

4.1 CONTROL AUTOMATICO DEL PROCESO DE CAUDAL El control automático del proceso de caudal, realizable con los módulos G30A/EV y G30B/EV y la unidad exterior TY30A/EV, se presenta como se muestra en el esquema de bloques de la fig. 4.1. Por lo que se refiere a las distintas acciones desarrolladas por el controlador PID, considerar los mismos fundamentos enunciados al principio del capítulo 3.

Fig. 4.1

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Page 57: Cartilla g30 b, nivel & caudal

4.2 EJERCICIOS Se sugieren a continuación algunos ejercicios realizables con el control del proceso de caudal, útiles para entender mejor el control mismo. Nota: para, realizar las experiencias de control automático de causal se precisa la conexión de los módulos G30A/EV, G30B/EV y la unidad exterior TY30A/EV Conexiones entre G30A/EV y G30B/EV: Conectar el buje 15 del módulo G30B/EV con la entrada +12 Vcc/1.5 A del

módulo G30A/EV.

Conectar el buje 3 del módulo G30B/EV con el buje 22 el módulo G30A/EV. Conexiones entre G30A/EV y TY30A/EV: Conectar los bujes "+" y presentes en el interior del módulo, G30A/EV (en el

bloque TRANSDUCERS UNIT TY30A/EV) con los correspondientes bujes de la Unidad TY30A/EV.

conectar a través del cable al efecto, la toma de 8 polos del módulo G30A/EV con la de la Unidad TY30A/EV. Alimentación del módulo G30A/EV: conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 5 Vcc Alimentación del módulo G30B/EV: conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 12 Vcc/1.5 A Las conexiones a realizar en el interior de los módulos G30A IV y G30B/EV se detallarán en cada ejercicio.

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Page 58: Cartilla g30 b, nivel & caudal

4.2.1 CONTROL AUTOMÁTICO DE CAUDAL EN BUCLE CERRADO Realizar las conexiones sugeridas en el apartado 4.2.

En el interior del módulo G30A/EV conectar la buje 19 con el 20, el buje 19 con el

14; de esta forma el visualizador visualiza el valor de caudal alcanzado.

En el interior del módulo G30B/EV conectar el buje 4 con el 5, el buje 6 con el 7, el buje 8 con el 9, el buje 10 con el 11 y el- buje 12 con el 13. .

Poner el interruptor 11 en la posición FLOWRATE.

El circuito realizado es el de la figura 4.2.

Poner las Válvulas V1 y V2 de la Unidad TY30A/.EV en la posición ON.

Predisponer el PID CONTROLLER con la perilla PROPORTIONAL, la

INTEGRATIVE y la DERIVATIVE en el valor medio.

Aplicar a través de la perilla del bloque SET-POINT & ERROR AMPLIFIER del módulo G30B/EV, una tensión de 0 voltios al buje 2 y leer el valor del caudal visualizado en el visualizador del módulo G30A/EV.

Apuntar la medida en la tabla 4.1 [columna FLOWRATE (1)].

Repetir la medición para todos los valores de tensión apuntados en la tabla.

Volver a llevar la tensión del set-point al valor de 0 V.

Cerrar ligeramente la válvula V2, de modo que se varíen las condiciones de

funcionamiento del conjunto controlador-unidad controlada. Poner cuidado en no cerrar demasiado la válvula: en este caso la bomba podría no ser capaz de alcanzar el-valor de caudal planteado.

Repetir las mismas, mediciones hechas anteriormente y apuntarlas en la tabla

4.1 [columna FLOWATE (2)].

Apuntar en la figura 4.3-los diagramas tensión de set-point/caudal en los dos casos de apertura diferente de la válvula.

Comparar los valores obtenidos en los dos casos.

I

N

D

I

C

E

Page 59: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Fig. 4.2

Tabla. 4.1

SET-POINT FLOWRATÉ(1) FLOWRATE(2)

0 V

1 V

2 V

3 V

4 V

5 V

6 V

7 V

8 V

Page 60: Cartilla g30 b, nivel & caudal

4.2.2 Control automático de caudal en bucle cerrado: efecto de la componente Proporcional del controlador PID Realizar las mismas conexiones del ejercicio anterior.

Poner el interruptor I1 en la posición FLOWRATE.

Insertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes 6 y

7, desconectar la conexión entre los bujes 8 y 9 y entre los bujes 10 y 11 del módulo G30B/EV) luego situar la perilla PROPORTIONAL en el valor medio.

En esta situación la ganancia del proporcional (véase el diagrama eléctrico de

este bloque) vale alrededor de 50.

Aplicar, a través de la perilla del bloque SET-POINT, una tensión de 3.2 voltios a la que le corresponde un valor de caudal de 2 ' 1/min y medir la .tensión del buje 4 (salida del amplificador de error) que corresponde a la diferencia entre set—point y magnitud de salida obtenida.

Observar cómo el sistema, regulado sólo con la componente proporcional,

resulta inestable.

I

N

D

I

C

E

Page 61: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Justificar este hecho.

Disminuir la ganancia del bloque PROPORTIONAL hasta el valor mínimo y observar si, para algún valor, el sistema se establece.

Si se consigue una regulación del potenciómetro PROPORTIONAL con la cual

el sistema es estable, medir la tensión de error y explicar lo observado. 4.2.3 Control automático de caudal en bucle cerrado: efecto de las componentes Integral y Derivada del controlador PID Realizar las mismas conexiones del ejercicio anterior.

Poner el interruptor 11 en la posición FLOWRATE.

Insertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes 6 y 7

y desconectar la conexión entre los bujes 8 y 9 y entre los bujes 10 y 11 del módulo G30B/EV), luego situar la perilla PROPORTIONAL en el valor medio.

Aplicar, a través de la perilla del set-point, una tensión de 3.2 voltios (a la cual le

corresponde un caudal de 2 1/min) y observar la tensión del buje 4 (salida del amplificador de error) que corresponde a la diferencia entre el set-point y la magnitud de salida obtenida.

Una variación de esta tensión indica que el sistema no es estable.

Insertar ahora también la acción integral conectando los bujes 8 y 9 luego,

situar el potenciómetro INTEGRATIVE en el valor medio: observar el error.

Si el sistema oscila, hay que disminuir el valor del proporcional planteado a través de la perilla PROPORTIONAL hasta que el Sistema se establezca.

Cuando el sistema está estable, observar el error.

Observar cómo la acción integral tiende a poner a cero el error.

poner el potenciómetro INTEGRATIVE hacia el valor mínimo.

Si el sistema en estas condiciones oscila, justificar el hecho por el cual el

sistema ya no es estable.

Conectar el buje 1Q con el 11 y situar el potenciómetro DERIVATIVE en el valor medio.

I

N

D

I

C

E

Page 62: Cartilla g30 b, nivel & caudal

Variar el valor de la acción derivada a través del potenciómetro DERIVATIVE

Observar cómo esta componente no tiene mucha importancia en el control

automático de caudal.

Variar la posición de la válvula V2 para introducir una variación en la instalación a controlar y repetir las medidas hechas anteriormente.

Observar cómo la regulación del controlador PID depende, del proceso

controlado y también de las modalidades de funcionamiento de la Instalación misma.

Tratar de conseguir la mejor regulación del controlador PID para una posición

específica de la válvula V2.

Page 63: Cartilla g30 b, nivel & caudal

CAPITULO 5

CALIBRACIONES Hágase referencia a la figura 5.1 para la ubicación de los trimmeres de regulación presentes en el módulo G30B/EV. Para la calibración del módulo hay que realizar las operaciones siguientes: Poner el interruptor i1 en la posición LEVEL.

Regular RV2 hasta que en el buje 2 se mida una tensión de 8 Vcc.

Poner el interruptor 11 en la posición FLOWRATE.

Regular RV1 hasta que en el buje 2 se mida una tensión de 6.4 Vcc.

Cortocircuitar los bujes 2 y 3 y regular RV3 hasta que se mida una tensión de 0

Vcc en el buje 4.

Fig. 5.1

I

N

D

I

C

E

Page 64: Cartilla g30 b, nivel & caudal

D A T A S H E E T S

CAPITULO 6

DATA SHEETS

A continuación se anexan los data sheets de los principales componentes utilizados en el módulo G30B/EV, que son: TL430 OP07

LM741

LF347

BC337

TIP30A

I

N

D

I

C

E


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