Encontrando fallas en un sistema de control automático con un controlador PID.

Transcripción

1 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Sistemas de Control Automático. Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta). Encontrando fallas en un sistema de control automático con un controlador PID. Objetivos específicos Apreciar el principio de regulación y aplicarlo, con referencia a un modelo de un sistema de control automático. Realizar revisiones estáticas y dinámicas en el sistema, usando señales apropiadas. Evaluar la eficiencia de la regulación, la desviación del controlador, atenuación, tiempos iniciales y de calibración del controlador y así reconocer un sistema con falla. Anotar la respuesta al escalón de un sistema de control automático para establecer cualquier cambio en la planta. Revisar los elementos de transferencia individual dentro del sistema controlado. Determinar las características y la respuesta de transferencia del sistema controlado, por medidas y cálculos. Estimar y explicar el efecto del cambio de los parámetros del controlador, en un sistema de control automático optimizado previamente. Materiales y equipo 1 CIRCUITO DE CONTROL CON UN CONTROLADOR PID. [S L]. 1 FUENTE DC +/-15V. [SO3538-8D]. 3 PUENTES BLANCOS. 2 CABLES DE CONEXIÓN. 1 OSCILOSCOPIO DE DOBLE TRAZO. 2 PUNTAS DE OSCILOSCOPIO. Introducción teórica El simulador de fallas usado ( Circuito controlador con un regulador PID ), es un modelo electrónico de un sistema de control automático. El diagrama de bloques de la Figura 7.1 ilustra las funciones principales de la regulación y sus valores característicos.

2 2 Sistemas de Control Automático. Guía 7 En operación, el sistema de control funciona como una regulación de valor fijo con un valor de referencia (set point) de 3V. La regulación tiene una respuesta PID y en la salida de la planta, hay una variable de perturbación, continuamente cambiante. Para propósitos de prueba, este modo de operación puede, dentro de límites dados, ser modificado. La señal de perturbación puede sacarse y el controlador puede cambiarse de modo que sólo las secciones de transferencia individual P, I o D estén activas. También el sistema de control puede interrumpirse y en lugar de las señales de valor de referencia, pueden seleccionarse señales de prueba. Figura 7.1 Diagrama del sistema Planta-Controlador utilizado en la detección de fallas. De acuerdo a las necesidades de una regulación de valor fijo, el sistema de control está optimizado para la respuesta a la perturbación. La respuesta óptima se da cuando, en el caso de cualquier perturbación, la regulación resultante sigue siendo fija, criterio de efectividad. Por consideraciones teóricas, el área definida de regulación está evaluada para estos criterios. En la práctica sin embargo, la calibración más apropiada del controlador depende mucho de los requerimientos técnicos de la instalación completa en la cual el sistema de control automático funciona. En el caso que se verá aquí, las decisiones se tomaran desde el punto de vista práctico, ya que una revisión del área mínima de regulación, indiferentemente de si es lineal o cuadrática, es muy difícil con un osciloscopio. De este modo, el criterio principal para la calibración óptima, seria una buena respuesta amortiguada del controlador, donde la variable del controlador llega a su estado estable sin oscilación o sobreimpulso; esto ocurriría en el tiempo de establecimiento más corto posible y con mínima desviación del controlador.

3 3 Usando la calibración del controlador dada en el diagrama de bloques, la respuesta al escalón de perturbación es en pulsos, la cual puede revisarse fácilmente en el osciloscopio. En la operación del PID libre de fallas, se obtienen los siguientes valores, con una variable de perturbación efectiva y un valor de referencia de 3V: Rango máximo de oscilación de la variable controlada X m = 1.5 V Tiempo de establecimiento = Ta = tiempo de control inicial = Tan = 3.5ms ±x = 10ms En la operación P libre de fallas, los siguientes valores se obtienen, con los mismos valores para la variable de perturbación y el valor de referencia, como antes: Diferencia de control o error xd = e =0.8 V Diferencia de fase de la frecuencia angular ψd = aprox. 30. Aquí, la respuesta a la perturbación escalón tiene 3 sobreimpulsos. Figura 7.2 Oscilograma de operación PID sin falla. El oscilograma de la Figura 7.2 presenta la respuesta a la perturbación escalón; libre de falla, operación PID; perturbación efectiva variable y valor de referencia de 3V. (Variable medida, xd)

4 4 Sistemas de Control Automático. Guía 7 Figura 7.3 Oscilograma de operación P sin falla. El oscilograma de la Figura 7.3 presenta la respuesta a la perturbación escalón, libre de falla, operación P, perturbación efectiva variable y valor de referencia de 3 V. (Variable medida, xd)

5 5 INFORMACIÓN DEL EJERCICIO Lista de símbolos usados K D K I K P K S T A T a T an T D T g T I T n T T T u T V T V /T 1 T y w W h x x a xa x e x d =e x h x m y z φ ψd Coeficiente diferencial Coeficiente integral Coeficiente proporcional Coeficiente de transferencia de la línea en su estado continuo Elevación, o respuesta, tiempo Tiempo de establecimiento Tiempo de control inicial Tiempo diferencial Tiempo de compensación Tiempo integral Tiempo de acción integral Tiempo muerto Tiempo de retraso Duración Pre-Hold Rango de frecuencia efectiva de corrección del controlador D (controlador D, Máxima ganancia) Tiempo flotante Entrada de control Entrada de rango de control Variable controlada Señal de Salida (general) Valor de la variable controlada (como salida) Señal de entrada (general) Diferencia de control Rango de control Máximo rango de oscilación de la variable controlada Salida controladora Variable de perturbación Fase de la frecuencia angular Diferencia de fase de la frecuencia angular

6 6 Sistemas de Control Automático. Guía 7 Determinación de los valores característicos Comparador Elemento-P Elemento-I

7 7 Elemento-D (DT1)

8 8 Sistemas de Control Automático. Guía 7

9 9 Procedimiento Nota: Lea la guía de laboratorio antes de realizar los procedimientos. Esto le ayudará a clarificar el objetivo perseguido, así como le ahorrará tiempo al ejecutar la práctica. 1. Coloque el simulador de fallas en operación y revise su funcionamiento libre de fallas. Identifique, haciendo uso del osciloscopio los valores de magnitud y período esperados bajo condiciones normales. Si lo considera necesario, anote sus observaciones, diagramas o figuras. 2. Una vez realizada la inspección del sistema libre de fallas, informe al docente de laboratorio que está listo para realizar la siguiente fase de la práctica. 3. Para cada falla que coloque el docente de laboratorio: a) Describa la condición de falla b) Complete una tabla de mediciones c) Evalúe las mediciones hechas, al describir la falla encontrada.

10 10 Sistemas de Control Automático. Guía 7 Hoja de trabajo 1: Falla No. Descripción de la condición de falla: Revisión hecha Variable Condición de Resultado/ Ref a Conclusiones en: medida la medida Oscilograma No. Cálculo Descripción de la falla:

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12 12 Sistemas de Control Automático. Guía 7 Hoja de trabajo 2: Falla No. Descripción de la condición de falla: Revisión hecha Variable Condición de Resultado/ Ref a Conclusiones en: medida la medida Oscilograma No. Cálculo Descripción de la falla:

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14 14 Sistemas de Control Automático. Guía 7 Hoja de trabajo 3: Falla No. Descripción de la condición de falla: Revisión hecha Variable Condición de Resultado/ Ref a Conclusiones en: medida la medida Oscilograma No. Cálculo Descripción de la falla:

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16 16 Sistemas de Control Automático. Guía 7 Análisis de Resultados 1. Presente sus datos, oscilogramas, cálculos y conclusiones sobre las fallas en el sistema con controlador PID. Bibliografía SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO. Séptima Edición. Prentice Hall. Benjamín Kuo, Biblioteca UDB, Clasificación: K FAULT FINDING IN AUTOMATIC CONTROL SYSTEM WITH PID CONTROLLER

17 17 Hoja de cotejo: 7 Guía 7: Encontrando fallas en un sistema de control automático con un controlador PID. Docente: Puesto No: Alumno: GL: Fecha: CONOCIMIENTO 25 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos teóricos: -Características de los controladores tipo P. -Características de los controladores tipo PI. -Características de los controladores tipo PID. APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO EVALUACION % Nota 70 Cumple con uno de los siguientes criterios: -Identifica fallas en un sistema de control automático que no son provocadas por el controlador PID. -Identifica las fallas provocadas por el controlador PID. -Identifica que es lo que se debe corregir para solventar las fallas. ACTITUD 2.5 Es un observador pasivo. TOTAL 2.5 Es ordenado pero no hace un uso adecuado de los recursos. Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos. Cumple con dos de los criterios. Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero. Hace un uso adecuado de lo recursos, respeta las pautas de seguridad, pero es desordenado. Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos. Cumple con los tres criterios. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.