Curso Sintonizacion Controladores (22)

Basado en "Lessons In Industrial Instrumentation" de Tony R. Kuphaldt.

 Sintonizar un sistema de control realimentado significa regular parámetros en el controlador para lograr implementar un control robusto en el proceso. “Robusto” en este contexto es usualmente definido como la estabilidad de las variables de procesos a pesar de los cambios de carga, una rápida respuesta ente los cambios de setpoint, oscilaciones mínimas y un offset mínimo (error entre el setpoint y la variable de proceso) en el tiempo. “Control Robusto” es mucho más fácil de definir que te lograrlo. El control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) es el algoritmo de control realimentado más usado en la industria, es importante que el ingeniero…
Si una válvula de control de flujo es abierta un determinado porcentaje (step-change o escalón), el flujo a través de la línea tiende a auto-estabilizarse a un nuevo valor de PV rápidamente. La siguiente ilustración muestra una instalación típica para el control de flujo de un líquido, con una tendencia del proceso mostrando la respuesta del flujo luego de un escalón o step-change sobre la posición de la válvula: La característica de un proceso auto-regulatorio es su inherente habilidad para fijar un nuevo valor en la variable de proceso sin ninguna corrección por parte del controlador. En otras palabras, hay…
Un buen ejemplo de un proceso integrativo es el control de nivel de líquidos, donde el flujo de entrada o salida del recipiente es constante y el otro flujo es controlado. Si una válvula de control es abierta un determinado porcentaje (step-change), el nivel de líquido en el recipiente crecerá a una tasa proporcional con la diferencia de los flujos de entrada y salida del recipiente. La siguiente ilustración muestra una instalación típica para el control de nivel de un líquido, donde la tendencia del proceso muestra la respuesta del nivel ante un scalon o step-change de la posición de…
El ejemplo de un proceso integrativo que hemos usado (en el artículo anterior) es uno de los muchos posibles procesos donde tenemos que enfrentarnos, ya sea un problema de balance de masa o balance de energía. “Balance de Masa” es la contabilidad de toda la masa dentro y fuera de un proceso. Si el flujo de masa dentro de un proceso no es igual al flujo de masa que sale del mismo, el proceso debería estar ganando o perdiendo masa en su interior. Lo mismo podemos decir de la energía: toda la energía que flujo hacia dentro y que fluye…
Un clásico ejemplo de un procesos runaway (descontrolado o “Open-loop unstable”) es un péndulo invertido: un brazo de madera vertical equilibrado en el extremo moviéndose de lado a lado. Un péndulo invertido es típicamente construido en el ambiente de laboratorio para fijar el brazo sobre un eje soportado en una carrocería, entonces se equipa la carrocería con ruedas y un motor de giro reversible para dar la habilitad de control lateral. Un sensor (usualmente un potenciómetro) detecta el ángulo del brazo con referencia eje vertical, reportando el ángulo al controlador como la variable de proceso. El motor vendría a ser…
Cuando hablamos de ganancia del controlador, nos referimos a la agresividad de su acción de control proporcional: la razón del cambio de salida con el cambio de entrada. Sin embargo, podemos ir un paso adelante y representar cada componente dentro de un lazo de control como si tuvieran su propia ganancia (la razón del cambio de salida entre el cambio de entrada). La ganancia intrínseca del dispositivo de medida (transmisor), el dispositivo final de control (como una válvula de control), y el proceso mismo son todas importantes para ayudar a determinar la ganancia necesaria para lograr un control robusto. Mientras…
Si y cuando realizamos un re-sintonización para compensar los cambios en lazo instrumentado, debemos ajustar también todos los modos de control (I y D también). Esto es automáticamente hecho si el controlador usa la ecuación Ideal o ecuación PID ISA, o si el controlador usa las ecuaciones Seriada o Interactiva. Todo lo que se necesita es cambiar la constante proporcional del controlador, dado que esta constante afecta directamente a todos los términos de la ecuación, los otros modos (I y D) serán ajustados con el término proporcional. Si el controlador en cambio usa la ecuación Paralela, deberemos cambiar manualmente las…
Si a una señal de onda cuadrada le aplicamos un circuito RC pasivo, la señal de salida parecerá tener una forma de “diente de sierra”, las forma recta de subida y bajada de la onda cuadrada ha sido remplazado por curvas amortiguadas. De hecho, la mayor parte de procesos mecánicos y químicos exhiben una tendencia similar: una “inercial” oposición a los cambios rápidos. Incluso los instrumentos mismos naturalmente amortiguan la señal ante cambios repentinos de estímulos. Y esto lo podemos ver fácilmente exponiendo un transmisor de presión a una serie de pulsos de presión a modo de onda cuadrada, y…
De manera simple, los procesos auto-regulatorios tienden a ser de primer orden: esto significa que ellos solo tiene un mecanismo de retardo. Pero, algunos procesos complicados generalmente consisten en sub-procesos, y cada uno de estos tiene su propio tiempo de retardo (lag time). Veamos el ejemplo de un horno de convección, que calienta una patata. Como “especialistas” en instrumentación de “cocina” (:D), decidimos monitorear la temperatura del horno y de la patata usando termocuplas e indicadores remotos de temperatura: El horno por sí mismo es un proceso de primero orden. Dando el tiempo y suficiente aire de circulación, la temperatura…
Un Tiempo de Retardo defiere a respuesta amortiguada de un proceso, desde que se produce un cambio en la variable de manipulada (por ejemplo cambiando la posición de la válvula) hasta tener un cambio en la variable de proceso: el efecto inicial de un cambio en la salida del controlador es visto inmediatamente, pero la efecto final se toma un tiempo para realizarse o completarse. El Tiempo Muerto, por el contrario, refiere a un periodo de tiempo durante el cual hay un cambio en la variable manipulada pero que no produce NINGUN tipo de efecto en la variable de proceso:…
A lo largo de los artículos de este curso hemos hablado bastante de lo que un control PID robusto. Y esto incluye conocer al proceso, reconocer que tipo de proceso estamos tratando, la ganancia en estado estacionario, el tiempo de retardo, tiempo de retardo múltiple, tiempo muerto entre otras. Incrementar la productividad, disminuir el esfuerzo de los equipos e incrementar la seguridad del proceso son algunas de las ventajas que nos brinda una sintonización de un PID adecuada. Sin embargo, frecuentemente es pasado por alto las consecuencias negativas de un controlador PID con una pobre sintonización. Si un control PID…
Como se definió en alguna parte de este curso, el control “robusto” tiene la característica de mantener la variable de proceso muy estable a pesar de los cambios de carga, producir una rápida respuesta ente los cambios de setpoint, una mínima oscilación sin importar el tiempo de cambio y un mínimo offset (error entre el valor de setpoint y variable de proceso) en el tiempo. Sin embargo, este criterio no es igualmente valorado por todos los procesos y puede ser que ninguno de ellos se pueda alcanzar con un control PID simple en todos los procesos. Puede ser crítico, por…
Una de las preguntas que se recomienda a ingenieros o técnicos instrumentistas preguntar a operadores cuando intentan diagnosticar cualquier problema en el proceso es simplemente: “Que tan tiempo ha existido el problema?”. La antigüedad del problema puede ser un importante indicador de las posibles causas. Si nos dicen que el problema ha ocurrido recién durante el último turno de noche, nos inclinaríamos a sospechar que un equipo ha fallado, o algo más que pudo haber sucedido repentinamente (por ejemplo alguien abrió o cerró una válvula manual cuando no debería). Alternativamente, si nos dicen que el problema está presente desde el…
Cuando estudiantes (y tambien cuando yo estudiaba) llevan el tema de control PID en un programa o curso de instrumentación, usualmente lo hace haciendo un software de simulación y/o procesos de “juguete” construidos en sus laboratorios. Una desventaja potencial de este modo de aprendizaje es la falta de reconocimiento de los problemas reales que se pueden desarrollar o producir cuando se realiza una sintonización en procesos en producción. Muy rara vez encontramos lazos de control completamente aislados en la industria: generalmente hay efectos que interaccionan entre lazos de control en un proceso, lo que significa que uno no puede proceder…
Un procedimiento de sintonización PID Cuantitativa es una metodología paso a paso para llegar directamente a encontrar valores numéricos para ser usados en un controlador PID. Estos procedimientos pueden ser divididos en dos categorías: en lazo abierto “open loop” y en lazo cerrado “closed loop”. Un procedimiento de sintonización “open loop” es implementado con el controlador en modo manual: haciendo una serie de pequeños cambios “step-change” en la salida del controlador y entonces se analiza matemáticamente los resultados de la respuesta de la variable de proceso para calcular la configuración del controlador PID cuando sea puesto en modo automático. Un…
Lazo cerrado refiere a la operación del sistema de control con sus dispositivos de control en modo “automático”, donde el flujo de información desde el elemento sensor seguido por el transmisor, controlador, elemento de control, proceso y regresando al sensor representa un lazo realimentado continuo (“cerrado”). Si la cantidad total de amplificación de la señal provista por los instrumentos es demasiada (ganancia), el lazo de control empezará a auto-oscilar. Mientras que la oscilación es casi siempre no deseada en los sistemas de control, esta puede ser usada para un test exploratorio de la dinámica del proceso si el controlador actúa…
En contraste con la primera técnica de sintonización presentada por Ziegler y Nichols donde el proceso era puesto a oscilar usando el controlador en automático solamente con la acción proporcional y los valores de esas oscilaciones servían para definir los parámetros de sintonización PID, su segunda técnica no necesita la presencia de la acción del controlador. En vez de eso, esta segunda técnica consiste en hacer en modo manual un cambio en la salida (válvula de control) y analizar los efectos resultados en la variable de proceso, así como estudiamos la caracterización de los procesos en artículos anteriores. Después de…
En contraste de los procedimientos de sintonización cuantitativos donde los valores numéricos para la configuración de parámetros PID del controlador son obtenidos a través de la colección de datos y el análisis, un procedimiento de sintonización “heurístico” o de “prueba y error” es uno donde se siguen reglas generales para obtener resultados aproximados o cualitativos. La gran mayoría de lazos de control PID en el mundo han sido sintonizados con este método, para bien o para mal. La meta en esta sección es optimizar la eficacia de este método. La primera vez que me mostraron la forma de sintonizar un…
Aquí un breve resumen de las características de las acciones PID clasificados su efecto en el proceso, para ayudarnos a realizar la sintonización "prueba y error": Propósito de Cada Acción: -Acción Proporcional: es la acción de control “universal”, capaz de proveer al menos una mínimo calidad en el control de cualquier proceso. -Acción Integral: muy útil para eliminar el offset causado por las variaciones de carga y procesos auto-regulatorios. -Acción Derivativa: muy útil para cancelar retardos, pero inútil por si sola. Limitaciones de cada acción: -Acción Proporcional: causará oscilaciones si es demasiada agresiva, en la presencia de retardos y/o tiempo…
Conocer con qué acción de control nos centraremos de primera mano a la hora de sintonizar es una cuestión de entender la característica del proceso (identificando si es auto-regulatorio, integrativo, runaway, si es ruidoso, tiene retardos o tiempo muerto, o cualquier combinación de estasrealizando una prueba a lazo abierto) y luego seleccionar las mejores acciones para satisfacer estas características. La siguiente tabla muestra de manera general las recomendaciones para realizar la sintonización PID basándonos en la característica del proceso. Auto-regulatorio puro: puede ser controlado con una agresiva acción integrativa, y además con un poco de acción proporcional. No se usa…

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