Controladores tipo P, PI y PID

Transcripción

1 Sistemas de Control Automático. Guía 5 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Sistemas de Control Automático. Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta). Se hará en dos sesiones. Controladores tipo P, PI y PID Objetivos específicos Demostrar la operación de los controladores P, PI y PID. Identificar las características de cada controlador a partir de la respuesta de salida en la planta. Ajustar y calibrar un controlador tipo PID a partir del método de tanteo para conseguir mejores parámetros de respuesta. Identificar las características de cada controlador a partir de la respuesta de salida en la planta. Calibrar los diferentes tipos de controladores en un punto óptimo de estabilidad y velocidad por el método de Ziegler-Nichols. Materiales y equipo 1 COMPUTADORA CON MATLAB Y SIMULINK. 1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ±15 VCD [SO3538-8D]. 1 REFERENCIA DE VOLTAJE [SO3536-5A]. 1 AMPLIFICADOR DE POTENCIA [SO3536-7Q]. 1 SISTEMA CONTROLADO DE TEMPERATURA [SO3536-8T]. 1 MÓDULO CON BOMBA [SO3536-9H]. 1 SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL [SO3536-9K]. 1 GRAFICADOR X-Y Y-t (PLOTTER). 1 VOLTÍMETRO DE BOBINA MÓVIL [SO5127-1H]. 1 INDICADOR DE TEMPERATURA [SO5127-1V]. 1 CONVERTIDOR DE PRESION A VOLTAJE [SO3535-7U]. 20 PUENTES. 1 SWITCH. 5 HOJAS DE PAPEL MILIMETRADO (El estudiante debe traerlas). 1 CONTROL PID [SO3536-6B] (o en su lugar 1 SUMADOR [SO3536-6A] y 1 CONTROL PROPORCIONAL [SO3536-5T]. 1 DIVISIÓN DE ORDEN SUPERIOR. VARIOS CABLES.

2 2 Sistemas de Control Automático. Guía 5 Introducción teórica Un sistema de control puede ser representado gráficamente por un diagrama de bloques, tales diagramas de bloques indican la interrelación existente entre los distintos componentes del sistema. En un diagrama de bloques, todas las variables del sistema se enlazan entre si por medio de bloques funcionales. El bloque funcional, o simplemente bloque, es un símbolo de la operación matemática que el sistema produce a la salida sobre la señal de entrada. Una flecha hacia adentro del bloque indica la entrada y la que se aleja del bloque indica la salida. Debe notarse que la magnitud de la señal de salida del bloque será la señal de entrada multiplicada por la función de transferencia del bloque. Un componente importante dentro de un diagrama de bloques es el denominado punto de suma (figura 5.1). Su símbolo, un círculo con una cruz, indica la operación suma. El signo + ó - expresa si la señal ha de sumarse o restarse. Figura 5.1. Diagrama de bloques de un sistema de control típico. En controles industriales es muy común encontrar los siguientes 5 tipos de reguladores: Dos posiciones (ON-OFF). Proporcional (P). Proporcional-Integral (PI). Proporcional-Derivativo (PD). Proporcional Integral Derivativo (PID).

3 Sistemas de Control Automático. Guía 5 3 Control Proporcional. La función de transferencia entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t) es: U ( s) E( s) = K P Donde K P se denomina ganancia proporcional. Otro parámetro importante en la acción de este controlador, es la denominada banda proporcional que expresa que tan grande será la acción de control ante una señal de error en la entrada, y es igual a: B P = 1 K P Control Proporcional Integral. El valor de salida del controlador proporcional varía en razón proporcional al tiempo en que ha permanecido el error y la magnitud del mismo, su función de transferencia es: Donde K P es la ganancia proporcional y T N se denomina tiempo de acción integral. Ambos valores son ajustables. El tiempo integral regula la velocidad de acción de control, mientras que una modificación en K P afecta tanto a la parte integral como a la parte proporcional de la acción de control. Control Proporcional Derivativo. Por lo general, una gran pendiente en e(t) en un sistema lineal correspondiente a una entrada escalón considerable produce un gran sobreimpulso en la variable controlada. El control derivativo mide la pendiente instantánea de e(t), prediciendo que tan grande será el sobreimpulso aplicando las correcciones apropiadas antes de que se presente ese sobreimpulso. La función de transferencia del control PD es: U ( s) E( s) = K 1+ P ( T s) V Donde T V se denomina duración predicha.

4 4 Sistemas de Control Automático. Guía 5 Control Proporcional Integral Derivativo. Esta combinación tiene la ventaja de que cada una de las tres acciones de control son individuales. La función de transferencia es: Calibración de Controladores. El proceso de seleccionar los parámetros del controlador para que el sistema cumpla con las especificaciones de diseño se conoce como calibración o ajuste del controlador. Las reglas de Ziegler- Nichols sugieren un método para afinar controladores PID basándose en la respuesta experimental ante una señal escalón de entrada. La regla de Ziegler-Nichols es muy conveniente cuando no se conocen los modelos matemáticos de las plantas. La respuesta de salida de sistemas de orden superior, por lo general, ante un escalón y en lazo abierto es una curva en forma de S que puede caracterizarse por dos parámetros: el tiempo muerto T U y la constante de tiempo T g. El tiempo muerto o de atraso y la constante de tiempo se determinan trazando una línea tangente a la curva en forma de S en el punto de inflexión y se encuentran las intersecciones de esta línea tangente con el eje del tiempo y con la línea c(t) = K. Ziegler-Nichols sugiere fijar los valores de K p, T N y T V de acuerdo a la siguiente tabla: Tipo de controlador K P T N T V P T g /(T u.k S ) 0 PI (0.9T g )/(T u K S ) T u /0.3 0 PID (1.2T g )/(T u K S ) 2T u 0.5T u Tabla 5.1. Método de calibración de controladores de Ziegler-Nichols a lazo abierto.

5 Sistemas de Control Automático. Guía 5 5 El Control PID utilizado en el laboratorio es el SO3536-6B que está representado en la siguiente figura: Figura 5.2 Control PID del laboratorio. Conexiones y Controles 1. Voltaje de operación, +15V 2. Voltaje de operación, 0V 3. Voltaje de operación, -15V 4. Conexión de paso 5. Entrada de Setpoint, ±10V 6. Entrada de Setpoint, ±10V 7. Entrada de valor actual, ±10V 8. Salida del controlador 9. Interruptor de la sección D 10. Interruptor de la sección I 11. Controles de escala y ajuste fino de Kp 12. Controles de escala y ajuste fino de TV 13. Controles de escala y ajuste fino de TN 14. Indicador de saturación Los métodos de optimización de un controlador en un sistema de control de lazo cerrado deben ser lo más directos que sea posible. Las recomendaciones de Ziegler-Nichols o Chiens & Reswick son, por ejemplo, muy simples y por eso ampliamente usadas

6 6 Sistemas de Control Automático. Guía 5 Sin embargo, estas recomendaciones asumen una combinación especial de las secciones P, I y D del elemento de control: Esta combinación es así llamada Controlador Técnico Cuyo diagrama se muestra a continuación. Figura 5.3. Controlador técnico Los parámetros de ajuste para el controlador técnico son: K P = Coeficiente proporcional T V = Duración de pre-mantenimiento T N = Tiempo de acción integral Hay también un tipo alternativo de controlador, para entrenamiento básico y avanzado, el cual es llamado Controlador matemático. Este controlador tiene los mismos elementos de función que el controlador técnico, pero la combinación de las secciones P, I y D es diferente. En la siguiente figura se presenta la configuración del controlador matemático. Figura 5.4. Controlador matemático

7 Sistemas de Control Automático. Guía 5 7 Los parámetros de ajuste para el controlador matemático son: K P = Coeficiente proporcional K D = Coeficiente diferencial K I = Coeficiente integral La relación entre T V y K P, o T N y K I, es: K D T V = y K P T = N K K P I La función de transferencia para el controlador que se encuentra en el laboratorio es la misma que para un controlador PID general, la cual es: La cual puede ser reescrita para un controlador matemático de la siguiente manera: U ( s) E( s) = K P K + s I + K D s 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, esta guia se hará en dos sesiones, un grupo de alumnos hará la Parte I y Parte IV en una sesión y el otro grupo hará la parte II y III, en la siguiente sesión se intercambian. PARTE I CONTROL PROPORCIONAL EN SISTEMAS TÉRMICOS. 1. Revise que los materiales y equipos indicados en la tabla se encuentren ya colocados en su puesto de trabajo. Caso contrario, informe de ello al docente de laboratorio. 2. Arme e inserte los módulos del sistema térmico de la figura 5.5, cerrando el lazo de retroalimentación negativa.

8 8 Sistemas de Control Automático. Guía 5 Figura 5.5. Sistema térmico con control P. 3. Regrese las perillas al mínimo tanto del voltaje de referencia como del controlador proporcional, deshabilite los controles I y D del módulo PID (colocando los interruptores AB(D) y AB(I) hacia arriba) y deje el SWITCH que colocó en el sistema térmico abierto. 4. Conecte el graficador a la salida del tranductor de temperatura/voltaje. 5. Encienda el Plotter y trace la gráfica de referencia de cero en un lugar conveniente de la página, luego encienda la fuente de alimentación y trace la gráfica de temperatura ambiente. 6. Ajuste el graficador de la siguiente manera: Selector de escala de tiempo: Selector de operación: Selector de operaciones: Selector de escala: Selector de calibración: 10 s/cm PEN X1 1 V/cm CAL 7. Ajuste %W del módulo de referencia de voltaje al 100% y K P del módulo PID a 1 (para ello coloque la ganancia X1 y mueva la perilla a la línea 1). 8. Trace la gráfica de respuesta del sistema, (Deje que la pluma recorra uno o dos centimetros y cierre el SWITCH que colocó en el sistema térmico). deje que se estabilice la temperatura y trace la gráfica de nuev, cuando la pluma haya recorrido dos o tres centimetros, introduzca una perturbación constante, cerrando el interruptor que cortocircuita la resistencia en el sistema térmico. Qué puede concluir de la gráfica acerca del error? 9. Ajuste K P del módulo PID a 2 (ganancia x1, y la perilla KP en la línea 2) y repita el paso 8. Qué puede concluir sobre el error y la banda proporcional para este sistema? 10. Regrese las perillas del voltaje de referencia y controlador PID al mínimo y apague en orden

9 Sistemas de Control Automático. Guía 5 9 inverso a como se encendió todo el equipo. 11. Retire la pluma del plotter, desconecte los cables y puentes de los módulos y guardelos en su lugar. PARTE II CONTROL PI EN SISTEMAS DE CONTROL DE NIVEL. 12. Arme el sistema de control de nivel de la figura 5.6. Coloque las perillas del voltaje de referencia y del controlador PID al mínimo, deshabilite los controles I y D del módulo PID (colocando los interruptores AB(D) y AB(I) hacia arriba) y abra el interruptor que colocó a la salida del amplificador de potencia. Figura 5.6. Sistema hidráulico con control PID. 13. Coloque la perilla de la válvula de salida del tanque al mínimo (gire la perilla en el sentido de las agujas del reloj y deje al frente el primer punto verde que siga al rojo) y haga los siguientes ajustes: W = 50%. K P = 2. (Escala X1 y la perilla KP en la segunda línea) T N = deshabilitado (al mínimo). T V = deshabilitado (al mínimo).

10 10 Sistemas de Control Automático. Guía Encienda los equipos, calibre el nivel cero del transductor y trace la gráfica de referencia. 15. Realice los siguientes ajustes en el graficador: Selector de escala de tiempo: 10 s/cm Selector de operación: PEN Selector de operaciones: X1 Selector de escala: 1 V/cm Selector de calibración: CAL 16. Grafique la respuesta del sistema, cerrando el SWITCH cuando la pluma haya recorrido uno o dos centimetros, luego trace otra gráfica y cuando se haya estabilizado el nivel del tanque, provoque una perturbación abriendo más la válvula de escape en el tanque (girándola en el sentido de las agujas del reloj de tal manera de dejar en el frente el siguiente punto verde). Qué componente del control PID provoca esta respuesta? 17. Abra el SWITCH y vacíe el tanque, a continuación habilite el control I del módulo PID (bajando el interruptor AB(I)) y ajuste W al 50%, K P = 3 y T N = 20 segundos, regrese la válvula de escape del tanque al mínimo. 18. Cierre el interruptor y trace una gráfica del sistema, una vez estabilizado el nivel en el tanque, aplique la misma perturbación que en el numeral 16. Qué puede concluir de acerca del uso del control PI? 19. Abra el interruptor, vacíe el tanque, regrese la válvula de escape del tanque al mínimo, luego disminuya significativamente el valor del tiempo de acción integral TN = 2s y repita el paso 18. Qué puede concluir? 20. Regrese las perillas del voltaje de referencia y controlador PID al mínimo. PARTE III CONTROL PID EN SISTEMAS DE CONTROL DE NIVEL. 21. Usando el sistema de control de nivel de la figura 5.6. Coloque las perillas del voltaje de referencia y controlador PID al mínimo y abra el SWITCH del amplificador de potencia. 22. Ajuste la referencia y el controlador PID de la siguiente forma: W = 40%. K P = 2. T N = 0.5 s. T V = 0.1 s. Interruptores AB(D) y AB(I) hacia bajo 23. Inicie la graficación y en un lugar predefinido del papel cierre el interruptor a la salida del amplificador de potencia. Es estable el sistema bajo estas condiciones? 24. Ajuste ahora la ganancia K P a 1 y el valor de T N a 5 s., manteniendo sin cambio T V, vacíe el tanque y trace una nueva gráfica. Es más estable ahora el sistema?, Si es más estable a qué se debe esto?

11 Sistemas de Control Automático. Guía Repita el paso anterior pero ahora aumente a 1 segundo el control derivativo (Tv). Concluya sobre la respuesta del sistema con este nuevo ajuste. 26. Regrese las perillas del voltaje de referencia y controlador PID al mínimo CALIBRACIÓN DE UN CONTROLADOR PID CON EL MÉTODO DE ZIEGLER-NICHOLS DE LAZO ABIERTO. 27. Se trabajará con el sistema de la figura 5.6 y la división para hacerlo de orden superior, ya sea la división de segundo orden con la que se trabajó en una guía anterior, o la que se muestra en la figura 5.7, la parte de los orificios más pequeños debe quedar en la parte inferior del tanque. Figura 5.7 Vista de planta de la división de orden superior. 28. Abra el lazo de retroalimentación y coloque la salida del tanque al máximo (Gire la perilla de salida del tanque en el sentido de las agujas del reloj hasta dejar enfrente el ultimo punto verde), deshabilite por el momento los interruptores I y D del controlador PID y ajuste K P a 2 con W = 50%. 29. Inicie la graficación y en un lugar predefinido del papel cierre el interruptor a la salida del amplificador de potencia y espere a que se estabilice el nivel en el tanque. 30. De la gráfica indique el punto de inflexión en la respuesta transitoria y trace una recta tangente a ese punto, a continuación mida el tiempo muerto y la constante de tiempo del sistema como se indica en la siguiente figura: Figura 5.8. Determinación de T U y T g de la respuesta del sistema a lazo abierto.

12 12 Sistemas de Control Automático. Guía Luego calcule los tiempos de acción integral y de duración predicha para el controlador PID como se muestra en la tabla 5.1 de la introducción teórica. 32. Calibre el controlador PID con estos tiempos, cierre el lazo de retroalimentación y active los interruptores I y D del controlador PID. KP =, TN =, TV = 33. Inicie la graficación y en un lugar predefinido del papel cierre el interruptor a la salida del amplificador de potencia y espere a que se estabilice el nivel en el tanque. 34. Regrese las perillas del voltaje de referencia y controlador PID al mínimo, coloque los interruptores AB(D) y AB(I) hacia arriba y apague en orden inverso a como se encendió todo el equipo. 35. Retire la pluma del plotter, desconecte los cables y puentes de los módulos y guardelos en su lugar. PARTE IV SIMULACION A. CONDICION DE LAZO ABIERTO 36. Armar en simulink el modelo de una planta mostrado en la Figura 5.9, en la tabla 5.2 están las librerías donde se encuentran los elementos del circuito. Figura 5.9 Modelo de una planta en configuración de lazo abierto. Elemento Transfer Fcn Step Sum Scope Librería Continuous Sources Math Operations Sinks Tabla 5.2 El modelo de la Figura 5.9 corresponde a un control de temperatura. En el módulo scope se grafica temperatura vrs. Tiempo y en el módulo step se define el valor de referencia. Los módulos step1 y step2 representan perturbaciones de corriente y temperatura

13 Sistemas de Control Automático. Guía 5 13 respectivamente. El módulo TransferFcn2 representa al transductor para la medición de la temperatura. 37. Predisponer los parámetros de los módulos respectivos de la manera siguiente: Módulo step : i. tiempo de salto: 0 ii. valor inicial: 0 iii. valor final: 10 (voltios) Módulo step1 : i. tiempo de salto: 150 (seg) ii. valor inicial: 0 iii. valor final: (amperios) Módulo step2 : i. tiempo de salto: 300 (seg) ii. valor inicial: 60 (grados) iii. valor final: 50 (grados) 38. Además, predisponer en la función parámetros de la simulación tiempo de inicio: 0. El tiempo de finalización: 450 (seg) 39. Correr la simulación, dando clic en el menú simulation y luego en start, abra los elementos scope para ver las gráficas, presione el botón Autoscale que tiene la siguiente forma si fuera necesario. 40. Explique el comportamiento de la temperatura B. CONDICION DE LAZO CERRADO 41. Armar en simulink el sistema mostrado en la Figura Figura 5.10 Modelo de una planta con retroalimentación.

14 14 Sistemas de Control Automático. Guía 5 i) Control proporcional 42. Correr la simulación varias veces predisponiendo el módulo Transfer Fcn3 con valores constantes (independientes de s) iguales a 1, 10 y 100 respectivamente 43. Describir en cada caso el comportamiento de la temperatura y comparar con la condición de lazo abierto ii) Control proporcional integral 44. Correr la simulación varias veces predisponiendo el módulo Transfer Fcn3 con las siguientes funciones: 100 s + 10 s 10 s + 10 s (a) (b) (c) 5 s s 45. Describir en cada caso el comportamiento de la temperatura y comparar con las condiciones anteriores iii) Control proporcional integral derivativo 46. Correr la simulación predisponiendo el módulo Transfer Fcn3 con la siguiente función: 2 20s + 10s s + s 47. Describir el comportamiento de la temperatura y comparar con las condiciones anteriores. 48. Apague la computadora.

15 Sistemas de Control Automático. Guía 5 15 Análisis de Resultados 1. Mencione y explique las características principales del control proporcional, proporcional-integral y proporcional-integral-derivativo. 2. Justifique el por qué el control integral corrige el error estacionario que no logra solo el control proporcional. 3. Si un sistema de cuarto orden presenta sobreimpulsos que cambiaría en el control PID para hacer que el sistema los reduzca y que implicaría esa corrección. 4. Sería necesario más ajuste al aplicar el método de Ziegler-Nichols a un sistema? De qué dependen esos ajustes si son necesario 5. Conteste a las preguntas realizadas en el procedimiento Investigación Complementaria Investigue si la siguiente afirmación es cierta: El controlador PI puede mejorar la estabilidad relativa y el error en estado estable al mismo tiempo, pero el tiempo de crecimiento se incrementa. Investigue sobre otros métodos de calibración PID. Bibliografía INGENIERÍA DE CONTROL MODERNA. Tercera Edición. Prentice Hall. Katsuhiko Ogata, Biblioteca UDB, Clasificación: Libro interno O SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO. Séptima Edición. Prentice Hall. Benjamín Kuo, Biblioteca UDB, Clasificación: K SISTEMAS DE CONTROL LINEAL. Primera Edición en Español. McGraw Hill. Charles Rohrs, Biblioteca UDB, Clasificación: Libro R

16 16 Sistemas de Control Automático. Guía 5 Hoja de cotejo: 5 Guía 5: Controladores tipo P, PI y PID Alumno: Puesto No: Docente: 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: -Puede simular sistemas de control P, PI y PID con Simulink. -Identifica las características de cada controlador a partir de las gráficas. -Calibra correctamente un controlador PID con el método de Ziegler- Nichols. 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.