1. CONTROL DE NIVEL Y CAUDALMODULO G30BCARTILLA GUÍA ELECTRÓNICA VENETA & INEL SPADigitada por:JOSÉ LEONEL AMORTEGUI MARTÍNEZPEDRO GIOVANNY BURGOS BÁEZJESÚS FERNANDO CLAROS CAMARGODIEGO EDISON PULIDO MARTÍNEZALEJANDRO RODRÍGUEZ DÍAZ Curso: MANTENIMIENTO ELECTRÓNICO E INSTRUMENTAL INDUSTRIAL 23981Presentado a:WILLIAM RAFAEL GÓMEZ MARTÍNEZCENTRO INDUSTRIAL DE MANTENIMIENTO Y MANUFACTURA SOGAMOSO. Abril De 2011. 2. NORMAS DE SEGURIDADLeer atentamente las advertencias contenidas en el presente manual, ya queproporcionan información Importante referente a la seguridad durante la instalación,el uso y el mantenimiento del módulo.Conservar el presente manual para cualquier consulta adicional.DESEMBALAJETras haber quitado el embalaje, poner a un lado todos los accesorios de modo queno se pierdan y cerciorarse de la integridad del módulo, en particular, que el mismoeste integro y que no presente daños visibles.Antes de llevar a cabo la alimentación del módulo, cerciorarse de que los cablesestén conectados debidamente con la unidad de alimentaciónLos cables de alimentación deberán colocarse de manera tal como para que nopuedan ser pisados o aplastados por objetos.El módulo presenta hendiduras y aperturas para la ventilación, al objeto degarantizar un funcionamiento fiable del mismo y protegerlo contra elrecalentamiento; las referidas hendiduras y aperturas no deberán obturarse nicubrirse El modulo deberá situarse en una posición que permita suaireación.No colocar jamás de módulo sobre carretillas, sopones, trípodes, abrazaderas omesas inestables, ya que podría caerse al sudo y causar lesiones a las personas odañarse.Cualquier operación de instalación del modulo deberá gustarse a las instruccionesdel fabricante y deberá realizarse utilizando los accesorios aconsejados.Este módulo deberá destinarse sólo para el uso para el cual ha sidomanifiestamente concebido, es decir, como sistema didáctico, y deberá utilizarsebajo d directo control por parte de personal experto Cualquier otro uso deberáconsiderarse impropio y por lo tamo peligroso. 3. PRECAUCIONESAl objeto de amparar la seguridad y la incolumidad del operador, así como elfuncionamiento del módulo, el uso de aparatos eléctricos contempla el cumplimientode algunas reglas fundamentales; en particular, deberán respetarse las normas deuso siguientes:Temperatura ambiente entre 0o C y 45° CHumedad relativaentre 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 noefectuar descomposturas. Para llevar a cabo Una eventual reparación, dirigirse alcentro 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 dealimentación y pedir el control por parte de personal cualificado antes de utilizarlonuevamente.LIMPIEZA DEL SISTEMAUtilizar un paño suave y seco para la limpieza del armazón y del panel sinóptico.Jamás utilizar insecticidas, productos químicos o disolventes.VIBRACIONES E IMPACTOSPrestar atención a no causar vibraciones o impactos. 4. INDICE1 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. 5. 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 DESALIDA DE UN CONTROLADOR DE ACCIÓN INTEGRADA YMEDIDA DE LA CONSTANTE DE TIEMPO.2.4.3 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DESALIDA DE UN CONTROLADOR DE ACCIÓN DERIVADA YMEDIDA DE LO CONSTANTE DE TIEMPO.2.4.4 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DESALIDA DEUNCONTROLADOR DE ACCIÓNPROPORCIONAL-INTEGRAL.2.4.5 VERIFICACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN DESALIDA 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. 6. 3.3.2 CONTROL AUTOMÁTICO DE NIVEL EN BUCLE CERRADO:EFECTO DE LA COMPONENTE PROPORCIONAL DELCONTROLADOR PID.3.3.3 CONTROL AUTOMÁTICO DE NIVEL-EN BUCLE CERRADO:EFECTO DE LAS COMPONENTES INTEGRAL V DERIVADADEL CONTROLADORPID.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: EFECTODE LACOMPONENTE INTEGRALDEL CONTROLADOR PID.4.2.3 CONTROL AUTOMÁTICO DE CAUDAL EN BUCLE CERRADO:EFECTO DE LAS COMPONENTES INTEGRAL Y DERIVADADEL CONTROLADOR PID.5 CALIBRACIONES.6 DATA SHEETS. 7. CAPITULO 1 DESCRIPCION DEL MODULOIND1.1 INTRODUCCIONICEl módulo G30B/EV permite el estudio teórico-experimental de las técnicasEde-control automático y realiza, junto con el móduloG30A/1V, un control automáticonivel y de caudal.Se compone de un panel sinóptico en el; cual se encuentran el diagrama eléctricode cada bloque que constituye el circuito completo, las conexiones entre losdistintos 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 funcionalesque encierran otros tantos circuitos eléctricos.Estos circuitos eléctricos realizan funciones bien precisas en el interior del circuitogeneral y por lo tanto se separaron de manera esquemática.Los tres bloques que constituyen- el módulo G30B/EV se describirán de maneradetallada, tanto desde el punto de vista electrónico como sistemístico en loscapítulos subsiguientes.En la parte superior de la derecha se encuentran los bujes para la conexión a lastensiones de alimentación: se necesita una tensión de +12 Vcc/0.5 A, una de -12Vcc/0.5 A para .la parte de control y una tensión de +12 Vcc/-1.5 A para la parte depotencia (alimentación de la bomba del módulo G30A/EV).Todas las componentes electrónicas situadas en el módulo G30B/EV sonfácilmente accesibles por la parte trasera del módulo mismo; en efecto, es suficientedesenganchar los ganchos de sujeción de la protección de plexiglás para operardirectamente en el circuito. 8. 1.2 DESCRIPCION DE LOS BLOQUESI NEl controlador de nivel y de caudal G30B/EV está formado por los bloquessiguientes: D SET-POINT & ERROR AMPLIFIER I PID CONTROLLER CE POWER AMPLIFIERCuyas 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 apartadossiguientes.1.2.1 Set-Point & Error Amplifier IEl bloque SET-POINT tiene la funciónN suministrar la señal de entrada para todo deel módulo. El bloque esquematizado en el panel con las señales de entrada y salida Destá realizado a través del circuito de la figura 1.2. La componente electrónica Z1 esuna referencia de tensión variable; en efecto, actúa de modo que se varíe la tensión Idel cátodo K (buje 1) hasta que la tensión del. punto REF sea igual a una tensión dereferencia interna al regulador mismo.C EEsta tensión de referencia vale 2.7 V aproximadamente, mientras que la tensiónREF depende de la tensión del cátodo K y del divisor de tensión resistivo formadopor R2, R3, RV1 y RV2.A través de la acción de los trimmeres RV sé varía el valor del divisor de tensiónhasta alcanzar el valor de tensión deseado en el cátodo. La resistencia R1 tiene la 9. función de causar la caída de tensión entre la tensión de alimentación (+12 Vcc) y latensión deseada en el cátodo. La presencia de dos trimmeres (RV1 y RV2) se debea la gama diferente ¿e las tensiones de salida de los acondicionadores de señalpara 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 elcátodo) vale 8 Vcc, mientras que con 11 cerrado (caudal) la gama vale 6 Vcc. Eldescenso de la tensión en el cátodo está determinado por la conexión en paralelode RV1 con RV2, que disminuye el valor resistivo general.Con el potenciómetro P1, regulable mediante la perilla presente en el título, se sacauna parte de la tensión generada por Z1. Esta, tensión constituye la señal dereferencia para todo el módulo.El bloque "ERROR AMPLIFIER " (fig. 1.3) es el bloque -que realiza la comparaciónentre el valor de entrada (set-point) y el valor alcanzado por la magnitud de salida.Está constituido por un amplificador operacional en configuración diferencial cuyasalida está dada (ya que R7/R4=R6/R5) por la diferencia entre las señalespresentes 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 amplificadoroperacional.La entrada FEEDBACK está seguida por un BUFFER (IC1) que permite separar elcircuito que genera el FEEDBACK del ERROR AMPLIFIER. Fig. 1.2 10. Fig. 1.31.2.2 PID ControllerINLa finalidad del controlador PID es la de "moldear" la marcha del error, de modo quese obtenga en la salida el comportamiento deseado para la física analizada.DEl esquema de bloques del controlador PID se muestra en la figura 1.4ICEFig. 1:4 11. 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) esproporcionada por la relación entre la resistencia formada por la serie de R7 y P2con R5. Fig. 1.5La salida del bloque PROPORTIONAL resulta desfasada de 180° (amplificadorinversor) con respecto a la entrada, pero ésto no constituye un problema ya que lasalida del controlador PID está realizada mediante un sumador inversor que, porconsiguiente, vuelve a llevar la fase a 0°. Los dos diodos Zener Z1 y Z2 tienen lafunción 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 nuestrocaso, 9.1 voltios), la impedancia de éste último desciende limitando el valor de laganancia del amplificador.El diagrama eléctrico del bloque INTEGRATIVE se muestra en la .figura 1 . 6 .Este bloque está constituido por un amplificador operacional conectado comointegrador puro, cuya constante de tiempo es proporcionada por el valor de la seriede R6 y P1 multiplicada por C2; por lo tanto, variando P1 es posible Variar laconstante de tiempo de la acción integral.Por lo que se refiere a la relación de fase entre la entrada y la salida, considérenselos mismos fundamentos enunciados para la acción proporcional. . 12. Fig. 1.6El diagrama eléctrico, del bloque DERIVATIVE se muestra en la figura 1.7. Estebloque está constituido por un amplificador operacional conectado como derivador,cuya constante de tiempo es proporcionada por el valor de la serie de R8 y P3multiplicada por C1; por lo tanto, variando P3, es posible variar la constante detiempo de la acción derivada. Fig. 7 13. El condensador C3 tiene la función de reducir la influencia de los disturbios de altafrecuencia 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, considérenselos mismos fundamentos enunciados para la acción proporcional.1.2.3 Power AmplifierINEl amplificador de potencia tiene la función de sacar la señal de salida delcontrolador PID, adaptar su amplitud a la gama del actuador y sobre todo amplificarDsu potencia de modo que pueda aplicarse al actuador mismo.IEl esquema del POWER AMPLIFIER insertado en el módulo G30B/EV/EV semuestra en la figura 1.8. C EEl actuador analizado (la bomba de la Unidad TY30A/EV) tiene una gamacomprendida entre 0 y +12 Vcc, mientras que el controlador PID tiene una gamaentre 0 y 8 Vcc; para que exista proporción entre las dos señales, la ganancia entensión del amplificador de potencia tiene que ser 1,5. El amplificador operacionalIC5 está conectado ccpn conexión no inversora. En este caso su ganancia detensión es proporcionada por:G = 1+Rf/RiEn donde Rf es la resistencia de realimentación (resistencia entré la salida y laentrada inversora) y Ri es la resistencia conectada entre la entrada inversora ymasa. En nuestro caso resultará: G = 1+R2/R1 = 1+10K/22K =1.45La explicación del circuito general implica el análisis del funcionamiento de los dostransistores; en particular, el amplificador operacional varía su salida hasta que latensión del punto 15 alcance el mismo valor en la entrada multiplicado por laganancia del amplificador mismo. Aumentando la tensión del punto 14, aumenta lacorriente que entra a la base de T1 y proporcionalmente aumenta la corriente decolector. Este hecho origina una disminución de la tensión aplicada a la base de T2y, por consiguiente, un aumento de la corriente de colector de T2 que determina latensión del punto 15. 14. 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 latensión negativa a la que se puede someter la base de T1 (sobre todo durantetransitorios, tras el encendido, para .variaciones de la corriente absorbida por labomba, etc.). Fig. 1.8 15. CAPITULO 2EL CONTROL AUTOMATICOIND2.1 GENERALIDADES IAntes de encarar la explicación del control de caudal o de nivel, se desea Cproporcionar un resumen de las nociones fundamentales de Regulación Automática Enecesarias para entender el control mismo. Primero, se desea aclarar que no serealizará un estudio sobre la Teoría de los Controles Automáticos, sino que seenunciarán sólo las nociones de dicha teoría que sirven para la explicación de loscontroles de procesos.Con el término PROCESOS FISICOS" o simplemente "PROCESOS" se define unconjunto de transformaciones físicas y/o transmisiones de materia y/o energía.Ejemplos de procesos industriales pueden ser: la refinación del petróleo, lalaminación de los metales, la producción de Vapor, etc.Estos procesos complejos están constituidos por procesos más sencillos y a éstosúltimos se hará referencia en este manual, sin quitarle nada a las generalidades delos procesos industriales.En efecto, la Teoría de los Controles Automáticos demuestra que a través delconocimiento de cada una de las partes del sistema se puede obtener elconocimiento del sistema global.Con el término "CONTROL" se define el conjunto de las acciones realizadas paragobernar un proceso de modo que asuma la marcha deseada. Con el término"CONTROL AUTOMATICO" se define el conjunto de las acciones de controlrealizadas sin -la intervención del hombre.Estas acciones serán realizadas por los dispositivos que constituyen el "SISTEMADE CONTROL".En un control manual la acción desarrollada por el hombre varía continuamente enbase al resultado suministrado a través de la comparación entre la informaciónrelativa al valor de la magnitud controlada y la información relativa al valorestablecido para dicha magnitud. 16. En cambio, en la regulación automática el sistema es capaz de controlar por símismo las variables dé la acción de control con el fin de cancelar la-diferencia entreel 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 elsistema de control.2.1.1 ESQUEMA DE BLOQUES. INEn 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 lasDinformaciones transmitidas y las acciones de cada variable de proceso sobre lasotras.ICEsta técnica de representación gráfica se denomina "ESQUEMA DE BLOQUESFUNCIONALES”EEn la fig. 2.1.1 se muestra un bloque funcional con segmentos dirigidos de entrada ysalida que representan el flujo de las informaciones.ENTRADASALIDAEU BLOQUEfig. 2.1.1Para caracterizar un bloque no es necesario describir su composición constructiva,sino que es suficiente definir solamente la salida en función de la entrada. 17. 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 deLaplace) y U es la señal de salida (siempre en la variable s).Las operaciones de suma y resta están representadas con nudos sumadores yrestadores; 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. 2.1.2Para enviar la misma señal a la entrada de varios bloques o sumadores, se utiliza elpunto de derivación (fig. 2.1.3).Comenzando por una primera representación de bloques del sistema, es posiblesustituir poco a poco dos o más bloques elementales por un bloque único, cuyafunción de transferencia corresponderá a la combinación de las funciones detransferencia de cada bloque, llegando así a representar también todo el sistemacon un único bloque.Las reglas que permiten la ejecución de estas operaciones se reúnen bajo ladenominación de "álgebra de los esquemas de bloques". 18. X1X1X1X1 Fig. 2.1.32.1.2 SUBDIVISIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL I NLos sistemas de-control están subdivididos en dos categorías generales yprecisamente: D I Sistemas en bucle abierto. C Sistemas en bucle cerrado o realimentados.EUn sistema en bucle abierto está caracterizado por el hecho de que la acción decontrol es independiente de la salida. En cambio, en los sistemas en bucle cerradola 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 lamagnitud de referencia que origina una acción que tiene, como finalidad última, laanulación de dicho descarte.El esquema de bloques de un sistema genérico de control con realimentaciónnegativa se muestra en la fig. 2.1.4. fig. 2.1.4 19. 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 conrespecto a los sistemas en bucle abierto y que justifican la utilización del control enbucle cerrado, se pueden resumir de la manera siguiente: Menor sensibilidad a las variaciones paramétricas Menores efectos de magnitudes de disturbioLa importancia de estas dos ventajas resulta ulteriormente aclarada por el hecho deque las variaciones paramétricas y los disturbios generalmente son de carácteraleatorio, o sea no son previsibles sino únicamente en sus características estáticas.2.1.3 FORMA CANÓNICA DE LOS SISTEMAS REALIMENTADOSINConsidérese-el sistema realimentado cuyo esquema a, bloques se muestra en lafig. 2.1.5.DEsta configuración se denomina "Forma Canónica" de un sistema de controlIrealimentado.CUn sistema cualquiera realimentado (complejo como se desee) puede ser reducidoEa la forma canónica. 20. fig. 2.1.52.1.4 SISTEMAS LINEALES - ECUACIONES DIFERENCIALESIUn sistema analógico se dice LINEAL (por lo tanto, describible por Nuna ecuacióndiferencial lineal) si satisface la propiedad siguiente: si una entrada X1(t) produce Duna salida Y1(t) y una entrada X2(t) produce una salida Y2(t), entonces una entradaC1-X1(t)+C2-X2(t) produce una salida C1•Y1(t) + C2-Y2(t), paraI cada par.deentradas X1(t) y X2(t), y cada par de constantes reales C1 y C2. CEn otras palabras, el concepto de linealidad puede representarse por E principio deelsuperposición de los efectos.En la realidad ningún sistema físico puede describirse exactamente por unaecuación diferencial lineal de coeficientes constantes; sin embargo, muchossistemas pueden aproximarse mediante dichas ecuaciones, si bien en ámbitoslimitados.La solución de- una ecuación diferencial lineal de coeficientes constantes constituyela respuesta del sistema por la misma descrito.Esta solución puede subdividirse en dos partes: Respuesta libre Respuesta forzadaCon el término "respuesta libre" se define la solución de la ecuación diferencialcuando la variable de entrada es idénticamente, nula.Con el término "respuesta forzada" se define la solución de la ecuación diferencialcuando 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. 21. La respuesta total puede también considerarse como la suma de dos respuestasparticulares y precisamente: Respuesta en régimen transitorio Respuesta en régimen permanenteEstas dos respuestas a menudo se utilizan para especificar las características delsistema y tienen el mérito dé que no se obtienen por vía matemática, sino por víaexperimental, con funciones canónicas de entrada específicas.2.1.5 LA TRANSFORMADA DE LAPLACEIA menudo, para resolver problemas de diseño de procesos, se utiliza la técnica deNsustituir funciones de variable real (usualmente el tiempo) con representaciones ofunciones que dependen de la frecuencia.D ILa Transformada de Laplace es una de estas técnicas. Pone en relación funciones Cdel tiempo con funciones de variable compleja, en donde la parte imaginaria dedicha variable es la frecuencia. EEn particular, el uso de esta técnica matemática es muy útil para resolver lasecuaciones diferenciales lineales de coeficientes constantes.Tras haber resuelto el problema en términos de función de variable compleja, esnecesario regresar al dominio del tiempo con una transformación inversa(Antitransformada de Laplace).2.1.6 FUNCIONES CANÓNICAS.INEn el estudio de los sistemas de control se utilizan- principalmente las funcionescanónicas siguientes:D Función de impulso unitarioI Función de escalón unitarioCE Función de rampa unitariaCada una de estas funciones; está relacionada con las otras por una o másintegraciones o derivaciones.Estas funciones asumen importancia por el hecho de que la respuesta obtenida porel proceso con estas entradas, suministra las indicaciones útiles para ladeterminación de las características del sistema mismo. 22. En particular, las características que se pueden obtener son: Sensibilidad Precisión Velocidad de respuesta Estabilidad2.1.7 SENSIBILIDAD DE UN SISTEMA DE CONTROLI NLa sensibilidad se define como la más pequeña variación de la magnitud dereferencia que provoca variaciones en la magnitud de salida o también como el errormás pequeño que da lugar a una acción de control.D I2.1.8 PRECISIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROLI C N controlada se mantieneLa precisión indica la aproximación con la cual la magnitud Eal valor de referencia. DLa diferencia entre el valor, de referencia y el valorI efectivo de la magnitudcontrolada se define como error.CELa precisión y los errores pueden medirse tanto en régimen estático como enrégimen transitorio; en el primer caso tendremos el error estático y en el segundocaso el error dinámico.2.1.9 VELOCIDAD DE RESPUESTA - TIEMPO DE RESPUESTA ILa velocidad de respuesta representa la rapidez del sistema para N alcanzar unanueva posición de equilibrio; la misma depende de las constantes de tiempo, o sea Dde los retardos introducidos por los distintos elementos, que constituyen el sistema. IDe manera similar se define como "Tiempo de Respuesta", el tiempo necesario paraalcanzar la posición de equilibrio.C E 23. El- tiempo de respuesta puede medirse en dos modos diferentes,, como se muestraen la figura 2.1.6. Si.no se especifica de otro modo, se hará referencia siempre alprimer modo.fig. 2.1.62.1.10 ESTABILIDAD DE UN SISTEMA DE CONTROLINLa estabilidad indica la capacidad del sistema para alcanzar la posición de equilibriocon una marcha de tipo aperiódico u oscilatorio amortiguado.DIEn cambio, si se establecen oscilaciones de amplitud permanente o creciente, elsistema se define inestable.CEEl fenómeno de la inestabilidad resulta por la presencia de los elementos de retardoen los componentes del sistema de control, lo que da lugar a fenómenos desobrerregulación que pueden justamente generar oscilaciones permanentes. 24. En la fig. 2.1.7 se muestran las -curvas de. tres tipos de aperiódico, periódicoamortiguado y periódico permanente. Fig. 2.1.7Si se estuviera en presencia de oscilaciones amortiguadas, se precisa conocer elvalor máximo alcanzado por la magnitud controlada durante el transitorio (Vcm) y surelación con respecto al valor con el transitorio acabado (Vco°) (fig. 2.1.8). fig. 2.1.8 25. Se define sobreelongación la relación:− ∞ =∞2.1.11 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL I NEl objetivo principal en el análisis de un sistema de control realimentado es ladeterminación de las características siguientes D La respuesta al transitorio I La respuesta en régimen permanenteC E El nivel de estabilidadGeneralmente, no es suficiente conocer si un sistema es estable, sino que esnecesario determinar .la estabilidad relativa; es decir, cuánto dicho sistema esestable.La estabilidad relativa, por otro lado, está bien relacionada con la respuestatransitoria del sistema, razón por la cual la respuesta transitoria asume un rolfundamental en el análisis de las características globales del sistema mismo.Ya que en el dominio del tiempo es más bien dificultoso analizar (o sea, resolverdirectamente la ecuación diferencial) sistemas de orden superior al segundo,existen distintos METODOS GRAFICOS que permiten el análisis de los sistemas decontrol 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) 26. 2.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROLIPor lo que sé refiere al diseño, el objetivo N principal es el de obtener, lasespecificaciones de comportamiento deseadas en términos de velocidad derespuesta, precisión y estabilidad.D IEstas últimas pueden enunciarse en dos formas distintas y precisamente: C Especificaciones en el dominio de la frecuencia E Especificaciones en el dominio del tiempoLas especificaciones en el dominio de la frecuencia generalmente se presentan enlos términos siguientes:a) margen de gananciab) margen de fase.c) ancho de bandad) cutoff ratee) amplitud pico de resonanciaf) frecuencia de resonancia.Las especificaciones en el dominio del tiempo generalmente se definen en términosde respuesta al escalón unitario. Esta última tendrá una componente de régimenpermanente 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 lavelocidad de respuesta y la estabilidad relativa.Las especificaciones típicas en el dominio del tiempo son:a) overshootb) tiempo de retardoc) tiempo de subidad) tiempo de ajuste 27. e) constante de tiempo determinante.Para obtener las especificaciones deseadas, considerando que la instalación tieneuna función de transferencia difícilmente modificable, en el. sistema de control sedebe introducir un bloque apropiado, el CONTROLADOR (fig. 2.1.4).El controlador puede ser de tipo activo (amplificador^ integral, derivado, o bien dedos o tres posiciones) y de tipo pasivo (red anticipadora o red retardadora).Modificando las características de un controlador estándar se pueden obtener lasrespuestas deseadas por el proceso (predisposición del controlador).Los controladores estándar generalmente utilizados en la industria son de tipoactivo y enlazan las acciones Proporcional, Integral y Derivada a los parámetrosregulables, que dan lugar a las acciones que se describen a continuación.Además, para algunas aplicaciones es suficiente el uso de un controlador mássencillo de dos posiciones (ON/OFF) para los sistemas 0 unidireccionales o de tresposiciones para los sistemas bidireccionales.La intervención de un controlador de éste último tipo determina la aplicación porpasos de toda la potencia al actuador, con consiguiente marcha triangular de lavariable controlada.2.2.1 ACCIÓN PROPORCIONAL (P) I NEs la acción introducida por un amplificador/atenuador. DLa salida, aparte el coeficiente multiplicador, es una copia perfecta de la entrada. IEn la fig. 2.2.1 se muestra un amplificador/atenuador cuya función de transferenciavale KP. C Efig. 2.2.1 28. 2.2.2 ACCIÓN INTEGRAL (I)IEsta acción es introducida por un Nintegrador puro. DLa función de transferencia del bloque (fig. 2.2.2) que realiza la acción integral, vale: ICKI 1E ==s ∗ En donde I 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 elvalor de la entrada (fig. 2.2.3).v¡=∗KiS Fig. 2.2.2Fig. 2.2.3 29. Hay que observar que, tras haber alcanzado el valor de la entrada, la salidacontinúa a salir con la misma inclinación hasta que la entrada se anula.2.2.3 ACCIÓN DERIVADA (D)INEs la acción introducida por un derivador puro (fig. 2.2.4).DLa salida, relativa a una entrada de rampa lineal, tiene un valor equivalente al queasumirá la entrada tras un tiempo equivalente a la constante de la acción derivada.ILa función de transferencia vale: CEW(s) = s*KD = s-Den donde xD se denomina Constante dé Tiempo de la Acción Derivada y cuyosignificado físico se muestra en la,fig. 2.2.5ViK D .s V O= K D *S*Vi-fig. 2.2.4!Cabe observar que el valor de la salida, equivalente al -valor que asume la entradatras el tiempo D, se mantiene hasta cuando la entrada cambia inclinación. fig.. 2.2.5 30. 2.2.4 ACCIÓN COMBINADA PIDINPoniendo juntas las acciones proporcional, integral y derivada se obtiene uncontrolador como el que se muestra en la fig. 2.2.6.DICE fig. 2.2.6La función de transferencia total del controlador vale:KiW s = KP + + KD ∗ s s “Grafica Pagina Siguiente” 31. Diagramas De BODE Para Distintas Clases De ControladoresFig. 2.2.7 32. Diagramas De BODE Para Distintas Clases De ControladoresFig. 2.2.82.3 PREDISPOSICIÓN DEL CONTROLADORICuando en un proceso realimentado se introduce N controlador estándar PID, unsurge el problema que hay que determinar los parámetros KP, KT y KD, de modo Dque se obtenga la magnitud de salida controlada según las especificaciones dediseño.I CGeneralmente, para resolver este problema se tiende a elegir primero el valor de KP Eexcluyendo 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 deinnumerables pruebas empíricas en los procesos, que permiten determinar lapredisposición 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 deescalón.Los procedimientos del primer grupo suponen la posibilidad de llevar el sistema decontrol (en bucle cerrado) al límite de la estabilidad, actuando de. manera apropiadasobre los parámetros del controlador. 33. Resulta obvio que las oscilaciones de las magnitudes variables, en condiciones delímite 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 enbucle 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 sistemacuando se encuentra en el límite de la estabilidad.Disponiendo así de los dos valores KPc y Te, el método de ZieglerNichols sugiere lapredisposición de los parámetros del controlador, en los distintos casos posibles, enbase a las indicaciones que se muestran en la tabla siguiente.CONTROLADKP KP/KI KD/KP OR P 0.5-KPc 0.45-KPc 0.85-TcPI PID 0.6-KPc 0.5-Tc0.12TcLos procedimientos del segundo grupo suponen la posibilidad de realizar en elproceso en bucle abierto la medida de la respuesta inicial. 34. Ziegler y Nichols proporcionaron fórmulas también para este grupo y elprocedimiento 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 lasalida del acondicionador de señal, que resultará del tipo de la fig. 2.3.1 en dondese ponen en evidencia los . tres parámetros fundamentales: K = ganancia Tm = tiempo muerto T = constante de tiempo 35. Este método de Ziegler-Nichols suministra las fórmulas para obtener los valores deKP, i y D 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 1TK _. _ _PTm 0.9 T _. _ _PI3.3 Tm K Tm 1.1 T _. _ _ PID2 Tm 0. 5 Tm K Tm 36. 2.4 EJERCICIOS INPara realizar todos los ejercicios de este capítulo será suficiente utilizar el móduloG30B/EV solamente, una fuente de alimentación con tensión de salida ±12 Vcc/0.5DA y los instrumentos siguientes:I Generador de funcionesCEOsciloscopio, de doble traza2.4.1 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de uncontrolador proporcional y medida de la constate de proporcionalidad I Realizar el circuito de la figura 2.4.1 NAlimentar el modulo G30B/EV con la tensión ± 12Vcc/0.5 A.D IAplicar una señal se onda cuadrada de 100Hz de frecuencia, 100mv de amplitud y valor medio nulo, entre el punto 5 y masa. C EConectar 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. 37. Variar la forma, de onda de la señal de entrada de cuadrada a sinusoidal y luegoa triangular. Observar la respuesta del controlador proporcional a estos tipos deseñales. fig. 2.4.12.4.2 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de uncontrolador de acción integrada y medida de la constante de tiempo I Realizar el circuito de la figura 2.4.2.N Alimentar el módulo G30B/EV con la tensión de ±12 Vcc/0.5 A.DI Aplicar una señal de onda cuadrada de frecuencia 100 Hz, amplitud 2 voltios yvalor medio nulo, al punto 5. CE Conectar una sonda del osciloscopio al punto 5 y sincronizar el instrumento enesta señal. Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12. Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro INTEGRATIVE, laconstante de tiempo del integrador en el valor mínimo. Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada y justificarlo 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. 38. Calcular, Utilizando el osciloscopio, la constante de tiempo KI del controlador deacción integral (KI es el tiempo que necesita la salida para alcanzar el valor de laseñal de entrada). Variar, a través de la perilla del potenciómetro INTEGRATIVE, la constante detiempo 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 señalde 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 (integralde 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.2.4.22.4.3 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de uncontrolador de acción derivada y medida de la constante de tiempoI Realizar el circuito de la figura 2.4.3.N Alimentar el módulo G30B/EV con la tensión de. ±12 Vcc/0.5 A. D I Aplicar una señal de onda triangular de 100 Hz de frecuencia, 0.5 voltios deamplitud y valor medio nulo, al punto 5. CE 39. Conectar una sonda del osciloscopio al punto 5 y sincronizar el instrumento enesta señal Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12. Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro DERIVATIVE, laconstante de tiempo del derivador en el valor mínimo. Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada y justificar loobservado. 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 deacción derivada (KD .es. el tiempo necesario en la entrada para alcanzar el valorde la señal de salida). Variar, a través de la perilla del potenciómetro DERIVATIVE, la constante detiempo 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 desalida. Aplicar ahora una señal de forma de onda sinusoidal de 100 Hz de frecuencia, 2Vpp de amplitud y valor medio nulo, al punto 5. Controlar que la señal de salida sea la derivada de la señal de entrada (derivadade 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 40. 2.4.4 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de uncontrolador de acción proporcional-integralI Realizar el circuito de la figura 2.4.4. N Aplicar una señal de onda cuadrada de 50 D de frecuencia, 2 voltios de Hzamplitud y valor medio nulo, al punto 10. I CConectar una sonda- del osciloscopio al punto 5 y sincronizar el instrumento enesta señal. E Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12. Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro. PROPORTIONAL, laconstante de proporcionalidad Kp en el valor mínimo. Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro INTEGRATIVE, laconstante de tiempo del integradór en el valor mínimo. Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada y justificarlo observado. Variar la constante de tiempo y la de proporcionalidad del valor mínimo almáximo y controlar la. variación la tensión de salida. Cambiar la frecuencia de la tensión de entrada y controlar la variación la señalde salida. Fig. 2.4.4 41. 2.4.5 Verificación de la forma de onda de la tensión de salida de controladorde acción PID (proporcional-integral-derivada) I Realizar el circuito de la figura 2.4.5.NDAplicar una señal de onda cuadrada de 50 Hz de frecuencia , 2. V ii amplitud yvalor medio nulo,-al punto 5.I CConectar una sonda del osciloscopio al punto 5 y Sincronizar el instrumento enesta señal. E Conectar la otra sonda del osciloscopio al punto 12.Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro PROPORTIONAL``, laconstante de proporcionalidad Kp en el valor mínimo.Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro. INTEGRATIVE``, laconstante de tiempo del integrador en el valor mínimo, Predisponer, a través de la perilla del potenciómetro DERIVATIVE, constantede tiempo del derivador en el valor mínimo. Comparar la forma de onda de la tensión de salida con la de entrada justificar loobservado. Variar la constante de tiempo KI, la-KD y la de proporcionalidad Kz del valormínimo al máximo y controlar la variación de la tensión de salida. Cambiar la frecuencia de la tensión de entrada y controlar la variación de laseñal de salida. Controlar, en particular, a qué frecuencias tiene mayor peso la acciónproporcional, la integral y la derivada. 42. Fig. 2.4.5 43. CAPITULO 3 CONTROL AUTOMATICO DE NIVEL I NHágase referencia a la fig. 3.1, que muestra la unidad de proceso de nivel y caudalsuministrada con el módulo G30A/EV (Unidad TY30A/EV). Para las características Dde la Unidad TY30A/EV/EV se envía al manual del módulo G30A/EV. I C E 44. 3.1 REGULACION CON CONTROLADOR DE TIPO P I NCon esta clase de regulador, la señal de salida del controlador es proporcional a suseñal de entrada; la magnitud que podrá variarse en este caso es la constante deproporcionalidad, o sea la relación entre la salida y la entrada.D IPara cada valor de la señal dé entrada existe un valor dé la señal de salida este valorestá determinado por la constante de proporcionalidad. C ELo anterior tiene validez sólo si el controlador es ideal; con un controlador .real, si laseñal de entrada es demasiado grande o si es demasiado grande la constante deproporcionalidad, se obtiene el fenómeno de la saturación y, por lo tanto, uncomportamiento no lineal.Resulta, claro, por lo tanto, que el comportamiento es de tipo lineal sólo para unalimitada 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 lasalida) y la señal suministrada por el acondicionador de señal del transductor (valorefectivamente obtenido en la salida), generalmente constituye la señal dé entradadel 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), elcontrolador determina un suministro de potencia del tipo ON/OFF, O sea en elactuador se aplica toda la potencia disponible o bien ninguna, mientras que en suinterior la potencia se modula.Tras haber acabado los transitorios, la potencia suministrada por el amplificador alactuador depende de la potencia suministrada a la carga y del rendimiento delactuador mismo. 45. La característica principal de este controlador es la de tener siempre error diferenteque cero; es más, se puede afirmar que el error es proporcional a la ganancia delcontrolador y depende, por lo tanto, del coeficiente KP y del valor de la bandaproporcional misma. Se puede decir también que el error diferente que cero senecesita 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 lamagnitud controlada (en nuestro caso el nivel) en función del tiempo.En la fig. 3.3 se pueden observar las diferentes marchas del control automático denivel con: a) Bp demasiado ancha b) Bp correcta c) Bp demasiado angosta 46. Fig. 3.33.2 REGULACION CON CONTROLADOR DE TIPO P I y P I D INEn el controlador de tipo integral la tensión de salida es la integral de la tensión deentrada.DIHemos visto que la principal desventaja del controlador de acción proporcional es lade necesitar siempre una tensión de entrada diferente que cero (por consiguiente,Cerror diferente que cero en sistemas de control en bucle cerrado) para tener unaEtensión de salida diferente qué cero. Con la Acción Integral se puede tener unasalida diferente que cero con entrada nula, por consiguiente, reducir a cero el erroren régimen permanente.El gran valor del controlador de acción integral es el de poder alcanzar unacondición de régimen con error nulo; sin embargo, si la inercia del sistema esnotable o si la constante de tiempo de la acción integral es elevada, puede ocurrirque 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 sereduzcan los problemas introducidos.Si las oscilaciones continúan, se puede introducir la acción derivada, aparte de laproporcional -integral: la eficacia de la acción derivada depende en gran parte de lamagnitud 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 varíanrápidamente. Como caso límite con tensión de entrada constante, su salida es nula. 47. A medida que el proceso se desarrolla en el tiempo, la acción derivada decae y seintroduce la integral para reducir a cero el error de regulación con respecto al valorde régimen.Veremos que, en el caso de la regulación de nivel y posición, la influencia de laacción derivada es muy escasa debido a la lentitud con la cual varían lasmagnitudes en cuestión.3.3 EJERCICIOS INota: Para realizar Nlas experiencias de control automático de nivel seprecisa la conexión de los módulos G30A/EV, G30B/EV y la unidadDexterior TY30A/EVICConexiones entre G30A/EV y G30B/EV:EConectar 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/EVcon 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 (enel bloque TRANSDUCERS UNIT TY30A/EV)con los correspondientes bujesde la Unidad TY30A/EV; Conectar a través del cable al efecto, la toma de 8 polos del module G30A/EVcon la de la Unidad TY30A/EV.Alimentación del módulo G30A/EV:Conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 5 VccAlimentación del módulo G30B/EV:Conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 12 Vcc/1.5 ALas conexiones a realizar en el interior de los módulos G30A/EV 7 G30B/EV sedetallarán en cada ejercicio. 48. 3.3.1 CONTROL AUTOMÁTICO DE NIVEL EN BUCLE CERRADOIN Realizar las conexiones sugeridas el apartado 3,3.DICEn el interior del módulo G30A/EV conectar el buje 6 con el buje 7 y el buje 8 conel buje 14; de esta manera el visualizador visualiza el nivel alcanzado. E En el interior del módulo G30B/EV conectar el buje 4 con el buje 5, .el buje 6 conel 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 enla posición ON. Poner el interruptor I1 en la posición LEVEL. Predisponer el PID CONTROLLER con la perilla PROPORTIONAL, laINTEGRATIVE y la DERIVATIVE en el valor medio. Aplicar, a través de la perilla del bloque SET-POINTERROR AMPLIFIER delmódulo G30B/EV, una tensión de 0 voltios en el buje 2 y leer el nivel visualizadoen 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 defuncionamiento del conjunto controlador-unidad controlada. 49. 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 doscasos de apertura diferente de la válvula, C o m p a r a r los valores obtenidos en los dos casos: 50. SET-POINT LEVEL-(mm) 0V 1V 2V 3 V. 4V 5V 6V 7V8V.Tabla 3.1 51. 3.3.2 Control automático de nivel en bucle cerrado: efecto de la componenteproporcional del controlador PID INRealizar las mismas conexiones del ejercicio anterior. Poner el interruptor 11 en la posiciónD LEVEL.I1 Insertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes 6 y 7 y desconectar la conexión entre losC bujes 8 y 9 y entre los bujes 10 y 11 delE 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. 52. ERROR (V)» ERROR (V)SET-POINT. Gain=1Gain=10 0V 1y 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V Tabla. 3.2 53. 3.3.3 Control automático de nivel en bucle cerrado; efecto de lascomponentes integral y derivada del control PIDIN Efectuar las mismas conexiones realizadas en el ejercicio anterior.D Poner el interruptor 11 en la posición LEVEL. ICInsertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes 6 y 7 y Edesconectar la conexión entre los bujes 8 y 9 y entre los buje 10 y 11 del móduloG30B/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 latensión del buje 4 (salida del amplificador de error) que corresponde a ladiferencia entre el set-point y la magnitud de salida obtenida. Insertar ahora también la acción integral conectando los bujes 8 y 9 y llevar elpotenciómetro INTEGRATIVE al valor medio: medir el error si eventualestransitorios 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 oscilacionesdel sistema. Si el sistema en estas condiciones oscila, justificar el hecho por el que el sistemaya no es estable. Conectar el buje 10 con el buje 1.1 y llevar el potenciómetro DERIVATIVE al valormedio. Variar el valor de la acción derivada mediante el . potenciómetro DERIVATIVE. Observar cómo esta componente -no tenga una, gran importancia en- el controlautomático de nivel. Variar la posición de la válvula V1 para introducir una variación en la instalación acontrolar y repetir las medidas efectuadas anteriormente. 54. Observar cómo la regulación del controlador .PID depende del procesocontrolado y también de las1 modalidades de funcionamiento de la instalación.misma. Tratar ahora de conseguir la mejor regulación del controlador PID para unaposición específica de la válvula V1. 55. CAPITULO 4 CONTROL AUTOMATICO DE CAUDAL I N4.1 CONTROL AUTOMATICO DEL PROCESO DE CAUDAL D ICEl control automático del proceso de caudal, realizable con los módulos G30A/EV yEG30B/EV y la unidad exterior TY30A/EV, se presenta como se muestra en elesquema 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 56. 4.2 EJERCICIOS INSe sugieren a continuación algunos ejercicios realizables con el control del procesoDde caudal, útiles para entender mejor el control mismo.INota: para, realizar C experiencias de control automático de causal se las Eprecisa la conexión de los módulos G30A/EV, G30B/EV y la unidad exteriorTY30A/EVConexiones entre G30A/EV y G30B/EV: Conectar el buje 15 del módulo G30B/EV con la entrada +12 Vcc/1.5 A delmódulo 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 elbloque TRANSDUCERS UNIT TY30A/EV) con los correspondientes bujes de laUnidad TY30A/EV.conectar a través del cable al efecto, la toma de 8 polos del módulo G30A/EV conla de la Unidad TY30A/EV.Alimentación del módulo G30A/EV: conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 5 VccAlimentación del módulo G30B/EV: conectar las alimentaciones ±12 Vcc/0.5 A y 12 Vcc/1.5 ALas conexiones a realizar en el interior de los módulos G30A IV y G30B/EV sedetallarán en cada ejercicio. 57. 4.2.1 CONTROL AUTOMÁTICO DE CAUDAL EN BUCLE CERRADOI Realizar las conexiones sugeridas en el apartado 4.2. N En el interior del módulo G30A/EV conectar la buje 19 con el 20, el buje 19 D elcon14; de esta forma el visualizador visualiza el valor de caudal alcanzado. ICEn el interior del módulo G30B/EV conectar el buje 4 con el 5, el buje 6 con el 7, elbuje 8 con el 9, el buje 10 con el 11 y el- buje 12 con el 13. . E 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, laINTEGRATIVE y la DERIVATIVE en el valor medio. Aplicar a través de la perilla del bloque SET-POINTERROR AMPLIFIER delmódulo G30B/EV, una tensión de 0 voltios al buje 2 y leer el valor del caudalvisualizado 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 defuncionamiento del conjunto controlador-unidad controlada. Poner cuidado en nocerrar demasiado la válvula: en este caso la bomba podría no ser capaz dealcanzar el-valor de caudal planteado. Repetir las mismas, mediciones hechas anteriormente y apuntarlas en la tabla4.1 [columna FLOWATE (2)]. Apuntar en la figura 4.3-los diagramas tensión de set-point/caudal en los doscasos de apertura diferente de la válvula. Comparar los valores obtenidos en los dos casos. 58. Fig. 4.2SET-POINT FLOWRATÉ(1) FLOWRATE(2) 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V Tabla. 4.1 59. 4.2.2 Control automático de caudal en bucle cerrado: efecto de la componenteProporcional del controlador PID I NRealizar las mismas conexiones del ejercicio anterior. DPoner el interruptor I1 en la posición FLOWRATE.I Insertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes 6 y7, desconectar la conexión entre los C bujes 8 y 9 y entre los bujes 10 y 11 delEmódulo G30B/EV) luego situar la perilla PROPORTIONAL en el valor medio. En esta situación la ganancia del proporcional (véase el diagrama eléctrico deeste bloque) vale alrededor de 50. Aplicar, a través de la perilla del bloque SET-POINT, una tensión de 3.2 voltios ala que le corresponde un valor de caudal de 21/min y medir la .tensión del buje4 (salida del amplificador de error) que corresponde a la diferencia entreset—point y magnitud de salida obtenida. Observar cómo el sistema, regulado sólo con la componente proporcional,resulta inestable. 60. Justificar este hecho. Disminuir la ganancia del bloque PROPORTIONAL hasta el valor mínimo yobservar si, para algún valor, el sistema se establece. Si se consigue una regulación del potenciómetro PROPORTIONAL con la cualel sistema es estable, medir la tensión de error y explicar lo observado.4.2.3 Control automático de caudal en bucle cerrado: efecto de lascomponentes Integral y Derivada del controlador PIDI Realizar las mismas conexiones del ejercicio anterior. N Poner el interruptor 11 en la posición FLOWRATE. DI Insertar sólo la acción proporcional del controlador (conectar sólo los bujes 6 y 7Cy desconectar la conexión entre los bujes 8 y 9 y entre los bujes 10 y 11 delmódulo G30B/EV), luego situar la perilla PROPORTIONAL en el valor medio.E Aplicar, a través de la perilla del set-point, una tensión de 3.2 voltios (a la cual lecorresponde un caudal de 2 1/min) y observar la tensión del buje 4 (salida delamplificador de error) que corresponde a la diferencia entre el set-point y lamagnitud 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 através 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 elsistema ya no es estable. Conectar el buje 1Q con el 11 y situar el potenciómetro DERIVATIVE en el valormedio. 61. Variar el valor de la acción derivada a través del potenciómetro DERIVATIVE Observar cómo esta componente no tiene mucha importancia en el controlautomático de caudal. Variar la posición de la válvula V2 para introducir una variación en la instalacióna controlar y repetir las medidas hechas anteriormente. Observar cómo la regulación del controlador PID depende, del procesocontrolado y también de las modalidades de funcionamiento de la Instalaciónmisma. Tratar de conseguir la mejor regulación del controlador PID para una posiciónespecífica de la válvula V2. 62. CAPITULO 5CALIBRACIONESI NHágase referencia a la figura 5.1 para la ubicación de los trimmeres de regulaciónpresentes en el módulo G30B/EV.D IPara la calibración del módulo hay que realizar las operaciones siguientes: C Poner el interruptor i1 en la posición LEVEL. E 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 0Vcc en el buje 4. Fig. 5.1 63. CAPITULO 6 DATA SHEETS I NDA continuación se anexan los data sheets de los principales componentes utilizadosen el módulo G30B/EV, que son:I C TL430E OP07 LM741 LF347 BC337 TIP30A