2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF] DATOS GENERALES UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Escuela Profesional de Ingeniería Química Curso: Control del Procesos Práctica Nº 1: Actuadores en base a resistencias eléctricas Integrantes asistentes: - Condori Cameron, Christian Dennis (Coordinador) - Huamaní Zúñiga, Ivón Elisa (Seguridad) - Mamani Martínez, Gleny Yéssica (Toma de datos) - Caspara Choquepuma, Deyssi Miriam (Operario) - Apaza Quispe, Carlos Enrique (Operario) 1
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DATOS GENERALES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN
Escuela Profesional de Ingeniería Química
Curso: Control del Procesos
Práctica Nº 1: Actuadores en base a resistencias eléctricas
Integrantes asistentes:
- Condori Cameron, Christian Dennis (Coordinador)
- Huamaní Zúñiga, Ivón Elisa (Seguridad)
- Mamani Martínez, Gleny Yéssica (Toma de datos)
- Caspara Choquepuma, Deyssi Miriam (Operario)
- Apaza Quispe, Carlos Enrique (Operario)
- Huaranca Huamán, Salvador Diego (Operario)
- Mamani Laura, Kely Judith (Operario)
Turno: Miércoles 11-13 Hrs.
Fecha: 26 de Octubre del 2011
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RESUMEN
En la práctica se comenzó definiendo un set point, nuestra temperatura de trabajo deberá oscilar en esta temperatura esto gracias al controlar on-off conocido de fácil uso y además de ser los más sencillos del mercado y de uso para calefactores como ejemplo; debido a no necesitar una temperatura presisa a la cual trabajar es que su bajo costo los hace ideales para estos trabajos.
En la pratica se procedió a tomar tiempos de respuesta y trabajo de dicho controlador para asi poder obtener graficas del comportamiento dinamico del proceso y además comprender adecuadamente los tiempos de retraso en empezar a actuar en la variable controlable y la manipulable; y el tiempo que se calienta por excedente al aire asumiendo que después de apagado la resistencia se sigue calentando por un tiempo superior a lo propuesto( excediendo el set point)
INTRODUCCION
a) Introducción y antecedentes
1. SISTEMA DE CONTROLa. Sensoresi
Dispositivo que permite medir la variable controlable, así para el caso presente tenemos los siguientes sensores térmicos:
Termostatos todo-nada: Interruptores que conmutan a un cierto valor de temperatura
Termopares: sensores de tipo analógico basados en el efecto Seebeck Pirómetros de radiación: Sensores de tipo analógico basados en el cambio de la
resistencia eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura
b. Actuadores
Los actuadores son los elementos que moverán el proceso del estado actual hacia el estado deseado.
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Fig. 2.1 Diagrama de un actuador
c. Controlador ON/OFFii
Cuando el elemento controlador esta conmutado para acción de dos pasos encendido-apagado". Este tipo de control consiste en que la señal de control solo puede tomar dos valores. La conmutación de la señal de control se realiza fundamentalmente al cambiar el error de signo. Los parámetros más significativos de este control son la potencia calórica máxima y el solape (overlap), que son detenidos a continuación:
Fig. 2.2 Comportamiento del controlador y la respuesta del mismo
Potencia calórica máxima: Este ajuste permite fijar la potencia aplicada al calefactor durante los periodos de encendido entre 15 y 80 vatios.
Solape: Con un solape nulo la señal de salida controladora hace que la potencia aplicada al calefactor alterne entre niveles máximo y mínimo a medida que la condición controlada cae por debajo o sube por encima del valor deseado.
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Con un solape dado, la señal de salida controladora hace que la potencia aplicada al calefactor alterne entre niveles máximo y mínimo a medida que la condición controlada cae por debajo de un límite inferior (valor deseado - solape) o sube por encima de un límite superior (valor deseado + solape). El valor de solape esta entre 0 y 4V.
Fig. 2.3 Comportamiento del controlador
Es decir, fijado un nivel deseado de temperatura, controla la fuente de calor, encendiéndola y apagándola según el signo del error de seguimiento.
d. Aspectos Del Control De Procesosiii
i. VARIABLE CONTROLABLE
Variable que se controla a través del sistema de control, esta es la variable que se debe mantener dentro de algún valor deseado.
ii. VARIABLE MANIPULABLE
Para mantener o corregir el valor de la variable controlable en el punto de control (punto de fijación o de régimen)
iii. PERTURBACION O TRANSTORNO
Variable que ocasiona que la variable de control se desvie del punto de control por ejemplo: temperatura de ingreso al proceso, flujo del proceso, calidad de energía, condiciones ambiéntales, etc.
iv. SET POINT
Valor que debe tener la variable a controlar.
e. Análisis de variableiv
i. Valor medido To: Es la señal de salida del elemento medidor correspondiente a la variable del proceso a controlar: La temperatura de salida del proceso.
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ii. Valor fijado Ti: Este es el valor de la referencia a la que se fija el control automático, es decir, es el valor deseado de la temperatura.
iii. Variable manipulable: Caudal del aire calefactor
b) Objetivos y alcances de la experienciaa. General
o Reconocer y comprender en la práctica la interacción de los sensores y actuadores en un circuito de control ON/OFF
o Comprender el comportamiento dinámico de las variables del proceso
b. Específicoso Conocer y evaluar el tiempo en que actúa el sensor en la temperatura de
salida del calefactor.o Evaluar el tiempo de retardo entre la respuesta del actuador y la
temperatura de salida del calefactor.
c) Descripción del equipo, metodología
El calefactor de aire, es un aparato, normalmente eléctrico, que proporciona a una estancia o recipiente un flujo rápido de aire caliente continuo mediante un radiador que genera una fuente de calor y un ventilador que calienta rápidamente el aire y lo transmite al lugar en que se encuentre.
Consta de las siguientes partes:
Soplador: Cámara calefactora: Aquí se encuentra el sensor (termocupla) y el
actuador (Resistencias de Nicrom) Cámara de secado Panel de control (Control)
a. Metodología
a. Verificar que todas las conexiones del equipo se encuentren de manera correcta
b. Encender el equipo, primero encender el ventiladorc. Luego encender el control de temperaturad. Establecer el SET POINTe. Iniciar la toma de datos, estableciéndolo como tiempo inicial el
momento en que se encendió el control de temperaturasf. Hacer la toma de datos respectiva
c. Resultados esperados
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Debido a que este es un sistema de control ON/OFF, se espera obtener un comportamiento oscilatorio constante, cuya representación es dada en la Fig. 2.2.
4.-PRESENTACION DE RESULTADOS
PRIMERA PRUEBA
Tiempo de inicio=14:05 pm Sin interferencia Set Point de 41 ºC Caudal total de 14 m/s
En esta grafica se puedes establecer que la amplitud en la deriva o desviación de la variable controlable depende de la rapidez con que la señal de salida cambia durante cada ciclo.
En este modulo el elemento motor es una fuente de alimentación variable que proporciona una salida eléctrica, el elemento corrector (actuador) es una rejilla de alambre calentada eléctricamente, a la que se aplica la salida del elemento motor.
El calor es transferido desde la rejilla a la corriente de aire, siendo el ritmo de la transferencia de calor dependiente de la temperatura del calefactor y de la velocidad de la corriente de aire.
GARFICO N º1 DE LA ACCION ON -OFF SIN INTERFERENCIA
T°Controlresistenciasp
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N, S
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En la primera grafica el valor total del set point es de 41°C (color morado). Y la línea azul es la temperatura en donde observamos que el set point esta muy cerca del pico superior y muy distante del pico inferior , hay una notable ineficiencia del controlador
Max = 42.5 SP = 41 Min = 29.5
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También observamos que el tiempo de respuesta para el sensor de temperatura es mayor, esto es porque el sensor tiene que calentarse o enfriarse en respuesta a los cambios en la temperatura de la variable medida. Este efecto es conocido como retraso térmico los cuales son de dos tipos: de distancia o de velocidad y de transferencia.
Los retrasos de distancia los cuales no tienen efecto en la forma de la señal que dan lugar al retardo DT que aparece en la grafica 1 son:
El primer retraso tiene un descenso único a los 115 seg iniciada la prueba. El segundo retraso tiene un descenso que abarca 4 puntos de la grafica que
corresponde a los tiempos de 355-425 seg. El tercer retraso tiene un descenso que abarca 4 puntos de la grafica que corresponde
a los tiempos de 695-725 seg.
También se muestra en la grafica 1 retrasos de transferencia que si afecta a la forma de onda de la señal en el detector, esto es debido a lo que se podría llamar ”inercia” del aire a ser calentado (o enfriado), lo que daría lugar a una respuesta con forma aproximadamente exponencial como se aprecia en la grafica 1.
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Nos damos cuenta que el tiempo de actuación se eleva a uno cuando la resistencia llega al 100%
La primera amplitud de la grafica vemos que la temperatura no llega a los 41°C ya que al principio el controlar tiene que adaptarse a los requerimientos
2. Experimento 2 acción ON OFF sin interferencia
En la segunda grafica el valor total del set point es de 41°C (color morado). Y la línea azul es la temperatura en donde observamos que el set point esta muy cerca del pico superior y muy distante del pico inferior , hay una notable ineficiencia del controlador
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Max = 42.5 SP = 41 Min = 29.5
Los retrasos de distancia los cuales no tienen efecto en la forma de la señal que dan lugar al retardo DT que aparece en la grafica 1 son:
El primer retraso tiene un descenso único a los 50 seg iniciada la prueba. El segundo retraso tiene un descenso que abarca 3 puntos de la grafica que
corresponde a los tiempos de 390-420 seg. El tercer retraso tiene un descenso que abarca 3 puntos de la grafica que corresponde
a los tiempos de 730-760 seg. El cuarto retraso tiene un descenso que abarca 3 puntos de la grafica que corresponde
a los tiempos de 1080-1110 seg.
Nos damos cuenta que el tiempo de actuación se eleva a uno cuando la resistencia llega al 100%
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3. Experimento 3 acción ON OFF con interferencia
Esta grafica nos representa la experiencia realizada con la variación que se ejecuto una interferencia cerrando la trampilla de la entrada del aire al ventilador, lo que se pudo observar es que no hay variación en la temperatura de salida del aire se mantiene casi constante.
Haciendo una comparación general de las graficas realizadas podemos decir que cuánto más abierta este la trampilla por donde ingresa el flujo de aire, más aire entrara para ser calentado y menor será la temperatura del aire de salida (supuesta una fuente de calor constante).
Nos damos cuanta que si encontramos una interfencia notamos que el pico superior aumenta (la distancia del set point al pico superior aumenta al caso sin interferencia )
En la segunda experiencia notamos que el tiempo de retraso es menor que la primera (los picos)
Al comparar las graficas 1 y 2 llevadas a cabo a las mismas condiciones y sin interferencia, podemos notar que difieren en la altura de los picos superiores los cuales en la grafica 1 sobresalen mas a diferencia de la segunda grafica teniendo como línea de referencia el valor del set point de 41 ºC, de igual manera en los picos inferiores la declinación es mayor en la segunda grafica a diferencia de la primera grafica, esto es debido a que el set point no pudo mantenerse a un mismo valor sino que oscilaba entre los valores de 39-41 ºC.
6.-CONCLUSIONES
Por supuesto un controlador On-Off es bastante simple. Pero muestra rangos limitados de comportamiento y respuestas de compromisos. En comportamiento visto en las graficas 3 y 5 es típico de un controlador on-off demostrando la forma y dinámica de respuesta: esto se traduce en tiempos de encendido y apagado 0 y 100% existentes, tiempo de retardo en proceder a actuar en las variables de control, podemos ver que siempre se excede el set point debido a que son resistencias eléctricas y después del apagado de estas las mismas continúan calientes y desprenden calor adicional al flujo de aire empleado.Muchas de las cosas que hemos visto aquí, se aplican en todos las leyes de control.
La sensibilidad de este tipo de control (a veces llamado “hysteresis” o “deadband”) está diseñada para operar, dependiendo del elemento a controlar, dentro de un rango cercano a los puntos de activación(set point 40- 41 en los dos casos) y así llevar la operación de “Off” a “On”.El valor promedio de qué tan rápido el controlador cambia de Off a On es 35 seg en promedio para la primera prueba sin perturbación y para la prueba con perturbación es de 60 seg. La salida del controlador ON-OFF, o de dos posiciones, solo puede cambiar entre dos valores al igual que dos estados de un interruptor. El controlador no tiene la capacidad para producir un valor exacto en la variable controlada para un valor de referencia dado pues el controlador produce una continua desviación del valor de referencia(solape + o -).
Recomendación
El diseño en “Hysteresis” previene que la salida no conmute rápidamente de “Off” a “On” , si la hysteresis está seteada en un rango muy estrecho la salida comenzaría a cambiar de estado tan rápido que producirá en una disminución del tiempo de vida útil de algún relé o contacto y, además, la elevación de temperatura en los componentes; por lo tanto esta hysteresis debería estar seteada con un suficiente tiempo de retardo para evitar esta condición.
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APENDICES
a. Recojo de información
HOJA DE RECOJO DE DATOS: EXPERIMENTO 3Equipo de estudiantes: 1) Condori Cameron, Christian