CONTROL DE TEMPERATURA DE UN LQUIDO DENTRO DE UN TANQUE
Landazury Dinellys1, Marquez Vanessa1, Montiel Zaida1, Sanmartin
Sara1Realpe J. Alvaro21Estudiantes De Ingeniera Qumica IX
Semestre.2Profesor de Control de Procesos.Programa de la Facultad
de ingenieras, Universidad de Cartagena.
RESUMEN
Se realiz la evaluacin de un sistema de control feedback de
manera experimental para la temperatura del agua dentro de un
tanque con entrada y salida constantes, se analiz el comportamiento
del sistema con los distintos controladores (proporcional,
proporcional integral y proporcional integral derivativo) en lazo
cerrado, adems se afinaron los parmetros para los distintos
controladores mediante el mtodo del periodo ltimo, obteniendo los
mejores resultados al controlar el proceso mediante el uso del
controlador...
PALABRAS CLAVES: Estabilidad, feedback, controlador, control,
temperatura.
CONTENIDO Pg.
1.OBJETIVOS32.INTRODUCCION33.EQUIPO44.VARIABLES DEL PROCESO54.1.
Variable de inters:54.2. Variable manipulada:54.3.
Disturbio:55.METODOS PARA EL ANALISIS DEL PROCESO EN LAZO
CERRADO56.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL77.CALCULOS Y
RESULTADOS88.ANALISIS99.CONCLUCIONES1010. REFERENCIAS.11
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL Mantener la temperatura del agua dentro
del tanque en el valor deseado, teniendo en cuenta la dinmica del
sistema y las respuestas a cada accin de control, con los
diferentes tipos de controladores feedback (P, PI, PID).
1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Observar el comportamiento del proceso en estudio y del lazo
feedback sobre este.
Determinar el tipo de controlador que brinda mejores resultados
de control en el sistema.
Determinar el valor de los parmetros de ajuste de los
controladores evaluados.
2. INTRODUCCION
En la actualidad la industria encarna uno de los sectores
econmicos ms representativos de Cartagena, que cuenta con una de
las zonas industriales importantes del pas. La rentabilidad de este
foco de mercado depende directamente de la capacidad de obtener
productos de calidad al menor costo de produccin, de aqu que la
implementacin de sistemas de control en sus procesos sea un factor
de relevancia, debido a que permite llevar a cabo procesos donde
las condiciones del producto final y de seguridad sean las
necesarias para representar una diferencia competitiva importante,
manifestndose esto en los ingresos obtenidos durante la actividad
comercial.
El control de procesos a pesar de ser utilizado hace varias
dcadas, se encuentra actualmente en una poca de auge, dada la
sensibilidad de muchas materias primas a cambios mnimos en las
condiciones de operacin de los procesos. Lo que se busca con el
control automtico es conservar en un valor deseado conocido como
set-point, las variables de operacin de inters (temperatura,
concentracin, presin, flujo y/o nivel), con el fin de generar las
mejores condiciones operacionales y que estas se reflejen en la
calidad del producto final y la seguridad de la planta en
general.
En el presente trabajo se estudiara el sistema de control por
retroalimentacin, siendo este el mtodo de control ms comnmente
utilizado, este se sirve de la utilizacin de controladores tales
como el P (proporcional), el PI (proporcional integral) y el PID
(proporcional integral derivativo), cuya funcin es, la disminucin y
eliminacin del error dentro del proceso. La ganancia, el tiempo de
integracin y el tiempo de derivacin son los parmetros de los
controladores mencionados, los cuales determinan el afinamiento del
controlador feedback, mediante un procedimiento de ajuste de los
mismos. En el presente trabajo se utilizara el mtodo de lazo
cerrado para afinar los parmetros de cada controlador feedback.
3. EQUIPO UTILIZADO
Figura 1. Esquema de control de temperatura en u tanque.
Figura 2. Equipo de control de temperatura.
4. VARIABLES DEL PROCESO
4.1. Variable de inters:La variable de inters o variable a
controlar para nuestro proceso fue la temperatura del lquido dentro
del tanque.
4.2. Variable manipulada:La variable manipulada para este caso
fue el flujo de entrada del agua de calentamiento que circulaba a
travs del serpentn.
4.3. Disturbio:El disturbio que se tuvo al momento de la
realizacin de la prctica fue la temperatura del agua de
calentamiento.
5. METODOS PARA EL ANALISIS DEL PROCESO EN LAZO CERRADO
El control en lazo cerrado se caracteriza porque existe una
realimentacin a travs de los sensores desde el proceso hacia el
sistema de control, que le permite conocer si las acciones
ordenadas a los actuadores se han realizado correctamente sobre el
proceso.
Este mtodo tiene como objetivo ajustar el controlador para una
curva de respuesta con una razn de amortiguamiento igual a , tal
como se muestra a continuacin:
Figura 3. Ajuste el controlador para una curva de respuesta con
una razn de amortiguamiento igual a .
El mtodo se basa en encontrar la ganancia de un controlador de
tipo proporcional con la finalidad de que el lazo oscile
indefinidamente a una amplitud constante. Esta es la ganancia mxima
para la cual el lazo es estable, por eso se le denomina ganancia
ltima.
Figura 4. Mxima ganancia para la cual el lazo es estable.
Para calcular los parmetros de ajuste de los diferentes
controladores en lazo cerrado utilizamos las formulas obtenidas por
Ziegler y Nichols, las cuales se pueden observar en la Tabla 2.
CONTROLADORGanancia Proporcional Tiempo IntegralTiempo
Derivativo
P--
P+I-
P+I+D
Tabla 1. Ecuaciones por Ziegler y Nichols.
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El procedimiento realizado durante la realizacin de la prctica
fue el que se describe a continuacin:
Se llenaron los tanques hasta el nivel deseado Se verific que el
equipo de control automtico de temperatura estuviese correctamente
energizado. Se abri manualmente la vlvula de paso, garantizando la
recirculacin entre la bomba y el tanque 1. Se encendi el primer
lazo (resistencia en un set point de 45C), con el fin de calentar
el agua contenida en el tanque 1. Comment by REV FAC CAT:
CONFIRMENME ESTO XD Cuando se alcanza una temperatura de 20C en el
tanque 1, se enciende el lazo 2 (vlvula, controlador, termocupla,
transductor y tanque 2). Se calibra el transductor con un
compresor, hasta que el manmetro 1 llega a una presin de 30 psi en
la cual la vlvula se encuentra completamente abierta. La apertura
de la vlvula es mostrada en el manmetro 2. Posteriormente, se
tabulan los datos de temperatura vs tiempo, cada 3 minutos. Se
grafican los datos obtenidos en el tem anterior, obteniendo la
grafica del proceso.
7. CALCULOS Y RESULTADOS
Se realizaron los balances pertinentes al sistema en estudio
para la determinacin de las funciones de transferencia de inters,
las cuales se presentan a continuacin:
Posteriormente se realiz la simulacin del sistema utilizando
simulink y probando mediante ensayo y error que valor de Kcu nos
arrojaba un sistema marginalmente estable.
Figura 5. Diagrama de bloques usado para la simulacin.
7.1. Controlador proporcionalPara el controlador proporcional se
obtuvo la siguiente grafica usando un valor de
Figura 6. Respuesta del circuito cerrado con un controlador
proporcional para un Kcu de...
Figura 7. Respuesta del circuito cerrado con un controlador
proporcional para un Kcu de 5.
Al tener la oscilacin constante de la variable operacional se
conoci el valor de Kcu que permiti este comportamiento que
correspondi a y un periodo ltimo igual a, determinando con esto el
valor de la ganancia para los distintos controladores mediante el
mtodo de decaimiento de 1/4, mostrando los resultados obtenidos en
la siguiente tabla:
TIPO DE CONTROLCONSTANTE PROPORCIONALTIEMPO INTEGRALTIEMPO
DERIVATIVO
P--
P+I-
P+I+D
Tabla 2. Ganancias, tiempo integral y tiempo derivativo para los
controladores.7.2. Controlador proporcional-integral
A partir de los datos presentes en la tabla 3 se procedi a
realizar el control de la temperatura utilizando un controlador
proporcional-integral, el cual nos arroj la siguiente grfica,
demostrando que el sistema es marginalmente estable.
Figura 7. Respuesta del circuito cerrado usando un controlador
PI para un Kcu de y TI de.
7.3. Controlador proporcional integral derivativo
Luego de determinar el comportamiento del sistema para un
controlador PI, se procedi a analizar el comportamiento de la
variable controlada, cuando se utiliza un controlador PID, dando la
siguiente grfica:
Figura 5. Respuesta del circuito cerrado usando un controlador
PID para un Kcu de, de y de.
8. ANALISISComment by REV FAC CAT: LO AMARILLO ES DE MI INFORME
DEL SEM PASADO
Para el Controlador Proporcional (P): Se tom un tiempo de 760
segundos con intervalo de 2 segundos para la toma de datos con un
Kcu de 5 en los que la estabilidad fue alcanzada en un tiempo de
136 segundos, teniendo en cuenta que la inestabilidad inicial
estuvo dada por perturbaciones iniciales al momento del llenado
inicial por lo cual se decidi no incluirlo en la grfica.
Para el controlador Proporcional Integral (PI): se tom un tiempo
de 662 segundos con intervalo de 2 segundos para la toma de datos
con un Kcu de 1.136 y un tiempo integral de 0.7216, dndonos una
grfica similar al del controlador proporcional pero con una mejora
sustancial al momento de alcanzar la estabilidad en tiempo que fue
de 88 segundos, teniendo en cuenta que las perturbaciones iniciales
que tuvo el proporcional tambin estuvieron presentes en este
ensayo.
Para el controlador Proporcional Integral Derivativo (PID): se
tom un tiempo de 632 segundos con intervalos de 2 segundos para la
toma de datos con un Kcu de 1.4706, un tiempo integral de 0.433, y
un tempo derivativo de 0.10825 con una grfica que aunque bien tiene
unos picos de inestabilidad se puede apreciar que la amplitud de la
pequea comparada con los controladores anteriores, dndonos un mejor
control al sistema. Estos picos se pudieron haber presentado debido
a problemas con la potencia de la bomba la cual como resultado pudo
dar variaciones en el flujo que alimentaba.
9. CONCLUCIONES
Se corroboro experimentalmente que el tipo de controlador que
mejor resultados muestra es el controlador
proporcional-integral-derivativo ya que tiene tiempos de respuesta
mayores y reduce a su vez el nmero de oscilaciones, debido a que la
accin proporcional cambia la posicin de la vlvula proporcionalmente
a la desviacin de la variable con respecto al punto de consigna, la
accin integral mueve la vlvula a una velocidad proporcional a la
desviacin con respecto al punto de consigna y la accin derivada
corrige la posicin de la vlvula proporcionalmente a la velocidad de
cambio de la variable controlada.
10. REFERENCIAS
Smith, C., Corripio, A., (2007). Control Automtico De Procesos:
Teora y Prctica. Editorial Limusa.
Creus, A., (2009). Instrumentos Industriales: Su Ajuste y
Calibracin de controladores. Editorial Marcombo, pg 155-167.13