Controladores

1. Controladores Mª Jesús de la Fuente Aparicio Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Facultad de Ciencias maria@autom.uva.es 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 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 Variable Manipulada

8. Regulador Perturbaciones Deviation Variables DV Variable manipulada Manipulated Variable MV Output to Process OP Entrada (al proceso) Referencia Consigna y MV u Proceso w y (Europa) Set Point SP 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 u y Controlador Proceso 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: • Neumática • Electrónica • Digital • Controladores de lazo (PID) • Autómatas (PLC) • Sistemas de Control Distribuido (DCS) • Control por ordenador (PC)

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

19. Controladores + - Controlador PI Actuador w e y u 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 y u Proceso y Transmisor

27. + - Señales del regulador 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. LC LT Reverse acting controller Kp > 0 Acción directa/inversa considerar el tipo de válvula 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 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 Kp + w 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. 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 y w 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

42. Prueba y Error w w y y 1 Aumentar Kp 2 Aumentar Td 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

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 u tiempo tiempo

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

48. Estabilidad y respuesta en lazo abierto y respuesta en lazo abierto 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 0 -0.5 -0.5 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 Estable Inestable u A una entrada limitada corresponde una salida limitada

49. Amortiguamiento y y respuesta en lazo abierto respuesta en lazo abierto 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 0 -0.5 -0.5 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 u Subamortiguado Sobreamortiguado

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