Diseño De Controladores

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE XALAPA

MATERIA:

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

TITULO:

Diseño de controladores

GRADO:

5º SEMESTRE

GRUPO: A

TURNO:

MATUTINO

CATEDRÁTICO:

CARLOS ALONSO BANUET RIOS

ALUMNO:

LENIN KULMANG CURIEL HERNÁNDEZ

FECHA:

22 DE SEPTIEMBREDEL 2013

DISEÑO DE CONTROLADORES

HIPOTESIS

Cuando vamos a implementar un lazo de control se nos plantea una serie de preguntas:

¿Qué tipo de controlador debemos elegir para una situación dada? ¿Cómo seleccionar los valores de los parámetros del controlador? O bien, ¿con qué criterio de performance hacemos la selección y el ajuste de parámetros del controlador? Por ejemplo podemos seleccionar alguno de los siguientes criterios:

– Que el bucle cerrado sea estable

– Que los efectos de las perturbaciones se minimicen

– Que se obtengan respuestas rápidas y suaves frente a cambios en el set point

– Que se elimine el offset

– Que el sistema sea robusto, esto es, poco sensible a cambios en las condiciones de proceso o debido a errores

– Etc.

En principio puede considerarse cualquier propiedad para seleccionar la respuesta del sistema, por ejemplo:

- Overshoot

- Tiempo de decaimiento (“rise time”; hasta alcanzar el valor deseado por primera vez)

- Tiempo de asentamiento (“settling time”, hasta quedar en ± 5% del valor deseado, p.ej).

- Relación de decaimiento (“decay ratio”, la relación entre la altura del 2º y el 1er. Pico)

- Frecuencia de oscilación

Uno de los criterios más utilizados es considerar una relación de decaimiento de ¼.

Supongamos que tenemos el siguiente bucle de control.

Con los diagramas de Bode de la respuesta de un lazo abierto se pueden diseñar controladores con las especificaciones del margen de ganancia, el margen de fase; ajustar el ancho de banda y añadir filtros para rechazar perturbaciones

Se utiliza la herramienta “sisotool” de Matlab que despliega, en una misma ventana, los gráficos correspondientes al lugar de las raíces y los diagramas de Bode para un sistema en lazo abierto. Mediante esta opción es posible diseñar un controlador que satisfaga los requerimientos especificados en la respuesta del lazo cerrado de control.

Y elegimos un controlador PI.

La relación entre la salida H’ y la perturbación o carga Q1 aplicada sobre el sistema es

Donde

Reordenando

Donde

Esto es, tiene una dinámica de segundo orden y entonces la relación de decaimiento tiene la siguiente expresión:

Igualando esta expresión al valor ¼:

Hay diferentes pares de Kc y I que pueden cumplir la relación. En general se fija primero Kc y luego de la expresión anterior se saca el otro parámetro.

Diagrama de bloques

Fundamentos

Desarrollo de funciones de transferencia.

Control Proporcional

El objeto de todo proceso industrial será la obtención de un producto final, de unas características determinadas de forma que cumpla con las especificaciones y niveles de calidad exigidos por el mercado, cada día más restrictivos. Esta constancia en las propiedades del producto sólo será posible gracias a un control exhaustivo de las condiciones de operación, ya que tanto la alimentación al proceso como las condiciones del entorno son variables en el tiempo. La misión del sistema de control de proceso será corregir las desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores determinados, que se consideran óptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto producido.

El sistema de control nos permitirá una operación del proceso más fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste.

Las principales características que se deben buscar en un sistema de control serán:

1. Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes.

2. Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua.

3. Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas.

4. Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa.

La implantación de un adecuado sistema de control de proceso, que se adapte a las necesidades de nuestro sistema, significará una sensible mejora de la operación.

Principalmente los beneficios obtenidos serán:

+ Incremento de la productividad

+ Mejora de los rendimientos

+ Mejora de la calidad

+ Ahorro energético

+ Control medioambiental

+ Seguridad operativa

+ Optimización de la operación del proceso/ utilización del equipo

+ Fácil acceso a los datos del proceso

Características del proceso

El control del proceso consistirá en la recepción de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y comparación con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior corrección en caso de que se haya producido alguna desviación respecto al valor preestablecido de algún parámetro de proceso.

El bucle de control típico estará formado por los siguientes elementos, a los que habrá que añadir el propio proceso.

+ Elementos de medida (Sensores) Generan una señal indicativa de las condiciones de proceso.

+ Elementos de control lógico (Controladores): Leen la señal de medida, comparan la variable medida con la deseada (punto de consigna) para determinar el error, y estabilizan el sistema realizando el ajuste necesario para reducir o eliminar el error.

+ Elementos de actuación (Válvulas y otros elementos finales de control): Reciben la señal del controlador y actúan sobre el elemento final de control, de acuerdo a la señal recibida.

Esta serie de operaciones de medida, comparación, calculo y corrección, constituyen una cadena cerrada constituyen ciclo cerrado. El conjunto de elementos que hacen posible este control reciben el nombre de bucle de control (control loop).

Tipos de control

Se puede hacer una clasificación de los sistemas de control atendiendo al procedimiento lógico usado por el controlador del sistema para regular la evolución del proceso. Los principales tipos de control utilizados en los procesos industriales serán:

Normales:

• Sistemas de realimentación. (Feed-back)

∗ Proporcional

∗ Integral

∗ Derivativo

• Sistema anticipativo (Feed-Foward)

• Sistema en cascada (Cascade)

• Sistema selectivo (Over-Ride)

Avanzados

• Control de restricciones (Constraint Control)

• Control del modelo de referencia (Model Reference

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