UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERA INDUSTRIAL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA INDUSTRIAL
INFORME FINAL DE LABORATORIOALUMNOS:PALACIOS AUPA DAVIDTOCTO
HUAMAN RUSSELVILLARREAL CORDOVA CALEBPROFESOS:ING. ROBERT ORE
GALVEZ
CURSO: SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL
PIURA, 2014
OBJETIVOS
Objetivo general: Conocer el funcionamiento de un sistema
automtico de control: de nivel, luz y temperatura.
Objetivos especficos: Encontrar los parmetros del proceso.
Identificar el tipo de compensacin del proceso. Determinar los
parmetros del controlador. Identificar la respuesta del sistema
Obtener un sistema estable.
MARCO TERICOSistemas automticos de control:
Un sistema automtico de control es un conjunto de componentes
fsicos conectados o relacionados entre s, de manera que regulen o
dirijan su actuacin por s mismos, es decir sin intervencin de
agentes exteriores (incluido el factor humano), corrigiendo adems
los posibles errores que se presenten en su
funcionamiento.Actualmente, cualquier mecanismo, sistema o planta
industrial presenta una parte actuadora, que corresponde al sistema
fsico que realiza la accin, y otra parte de mando o control, que
genera las rdenes necesarias para que esa accin se lleve o no a
cabo. Variables del sistema: son todas las magnitudes, sometidas a
vigilancia y control, que definen el comportamiento de un sistema
(velocidad, temperatura, posicin, etc.). Entrada: es la excitacin
que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energa
externa, con el fin de provocar una respuesta. Salida: es la
respuesta que proporciona el sistema de control. Perturbacin: son
las seales no deseadas que influyen de forma adversa en el
funcionamiento del sistema. Por ejemplo abrir una ventana
representa una perturbacin en el sistema de control de temperatura
mediante termostato. Planta: sistema sobre el que pretendemos
actuar. Sistema: es un conjunto de elementos interrelacionados
capaces de realizar una operacin dada o de satisfacer una funcin
deseada. Set point: seal externa al sistema que condiciona su
funcionamiento. Seal de referencia: es una seal de entrada conocida
que nos sirve para calibrar al sistema. Seal activa: tambin
denominada seal de error. Representa la diferencia entre la seal de
entrada y la realimentada. Unidad de control: gobierna la salida en
funcin de una seal de activacin. Unidad de realimentacin: est
formada por uno o varios elementos que captan la variable de
salida, la acondicionan y trasladan a la unidad de comparacin.
Actuador: es un elemento que recibe una orden desde el regulador o
controlador y la adapta a un nivel adecuado segn la variable de
salida necesaria para accionar el elemento final de control, planta
o proceso. Transductor: transforma una magnitud fsica en otra que
es capaz de interpretar el sistema. Amplificador: nos proporciona
un nivel de seal procedente de la realimentacin, entrada,
comparador, etc., adecuada al elemento sobre el que acta. Sensor:
Se llama sensor al instrumento que produce una seal, usualmente
elctrica, que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna
correlacin definida (su ganancia). Sensor de presin diferencial:
elemento sensible a la presin y que emiten una seal elctrica al
variar la presin o que provocan operaciones de conmutacin si esta
supera un determinado valor lmite.TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL Los
sistemas de regulacin se pueden clasificar en: Sistemas de bucle o
lazo abierto: son aquellos en los que la accin de control es
independiente de la salida. La exactitud de estos sistemas depende
de su calibracin, de manera que al calibrar se establece una
relacin entre la entrada y la salida con el fin de obtener del
sistema la exactitud deseada.
Elementos de controlPlanta o procesoEntradaSalidaEl diagrama de
bloque de un sistema en lazo abierto es:
El sistema se controla bien directamente, o bien mediante un
transductor y un actuado
TransductornssActuador o accionadorPlanta o procesoEntrada del
sistemaSalida del sistema
Sistemas de bucle o lazo cerrado: son aquellos en los que la
accin de control depende en cierto modo, de la salida. La seal de
salida influye en la entrada. Para esto es necesaria que la entrada
sea modificada en cada instante en funcin de la salida. Esto se
consigue por medio de lo que llamamos realimentacin o
retroalimentacin
En controles industriales es muy comn encontrar los siguientes 5
tipos de reguladores: Dos posiciones (ON-OFF). Proporcional (P).
Proporcional-Integral (PI). Proporcional-Derivativo (PD).
Proporcional Integral Derivativo (PID).
Control Proporcional.La funcin de transferencia entre la salida
del controlador y la seal de error es:
Donde se denomina ganancia proporcional.Otro parmetro importante
en la accin de este controlador, es la denominada banda
proporcional que expresa que tan grande ser la accin de control
ante una seal de error en la entrada, y es igual a:
Control Proporcional Integral.El valor de salida del controlador
proporcional vara en razn proporcional al tiempo en que ha
permanecido el error y la magnitud del mismo, su funcin de
transferencia es:
Donde es la ganancia proporcional y se denomina tiempo de accin
integral. Ambos valores son ajustables. El tiempo integral regula
la velocidad de accin de control, mientras que una modificacin en
afecta tanto a la parte integral como a la parte proporcional de la
accin de control.
Control Proporcional Derivativo.Por lo general, una gran
pendiente en en un sistema lineal correspondiente a una entrada
escaln considerable produce un gran sobreimpulso en la variable
controlada. El control derivativo mide la pendiente instantnea de ,
prediciendo que tan grande ser el sobreimpulso aplicando las
correcciones apropiadas antes de que se presente ese sobreimpulso.
La funcin de transferencia del control PD es:
Donde se denomina duracin predicha.
Control Proporcional Integral Derivativo.Esta combinacin tiene
la ventaja de que cada una de las tres acciones de control son
individuales. La funcin de transferencia es:
Calibracin de controladoresEl proceso de seleccionar los
parmetros del controlador para que el sistema cumpla con las
especificaciones de diseo se conoce como calibracin o ajuste del
controlador. Las reglas de Ziegle-Nichols sugieren un mtodo para
afinar controladores PID basndose en la respuesta experimental ante
una seal escaln de entrada. La regla de Ziegler-Nichols es muy
conveniente cuando no se conocen los modelos matemticos de las
plantas.La respuesta de salida de sistemas de orden superior, por
lo general, ante un escaln y en lazo abierto es una curva en forma
de S que puede caracterizarse por dos parmetros: el tiempo muerto y
la constante de tiempo . El tiempo muerto o de atraso y la
constante de tiempo se determinan trazando una lnea tangente a la
curva en forma de S en el punto de inflexin y se encuentran las
intersecciones de esta lnea tangente con el eje del tiempo y con la
lnea Ziegler-Nichols sugiere fijar los valores de , y de acuerdo a
la siguiente tabla:Tabla 6.1. Mtodo de calibracin de controladores
de Ziegler-Nichols a lazo abierto.
Tipo decontrolador
P0
PI0
PID
Sistema utilizado para un sistema automtico de nivel
METODOLOGAMaterial y equipo a utilizar en las pruebas de
laboratorio
1computadora con matlab y simulink. 1 fuente de alimentacin 15
vcd 1 referencia de voltaje 1 control PID 1 amplificador de
potencia 1 sistema controlado de nivel 1 graficador x-y y-t 20
puentes. 1 switch. 3 cables.
Control de lquido
1. Parametrizar el proceso:
Variable a controlar: La variable que se control fue el nivel
del lquido en el tanque. Variable a manipular: Esta fue el flujo
del lquido. El actuador:La bomba SensorEl sensor que se utiliz fue
un sensor de presin diferencial
2. Prueba a lazo abierto del proceso Se procedi a analizar el
proceso es decir, determinar la respuesta del proceso ante una seal
de excitacin.
Tablero electrnico a utilizar
La seal de excitacin a utilizar fue del tipo escaln con valores
de 0 a 10 voltios, con un tiempo de 100 segundos como se puede
apreciar en la siguiente figura:
Luego de esto, se ejecut la funcin play para poder observar la
respuesta del sistema, la cual se puede apreciar de color verde en
la siguiente figura.
3. Parmetros del proceso
A partir de la respuesta de salida del proceso se observ que era
un sistema compensado, entonces se procedi a obtener los siguientes
parmetros del proceso:
El parmetro se obtuvo trazando una recta sobre el punto de
inflexin y con las rectas de color rojo y amarillo presentes en el
osciloscopio se determino el valor del tiempo de retardo del
proceso.Luego se hizo lo mismo con haciendo uso de las lneas de
color amarilla y verde obteniendo el valor del tiempo de
compensacin del proceso.Para el clculo de la caracterstica en
estado estable del proceso se calcul la variacin de Y2, donde la
medida de Y2 se obtuvo delimitndolo con las lneas de color rojo y
verde. El valor de Y1 se obtuvo de la variacin de la entrada en
escaln es decir se utiliz el valor de 10 voltios.: 4.42: 43.64: ==
0.47
Donde:: Es el tiempo de retardo y mide la velocidad de respuesta
del proceso.: Es el tiempo de compensacin por pare del proceso:
Caracterstica en estado estable del proceso.4. Configuracin del
controlador
Para configurar el controlador se necesitaron las siguientes
condiciones: El sistema es del tipo compensado
Con overshopt: se utiliz esta caracterstica para obtener una
respuesta ms rpida por parte del controlador, ya que el proceso de
controlar el nivel se prestaba para esta situacin.
Y con buena respuesta al cambio de set point
Se probaron los distintos tipos de controlador obtenindose los
siguientes datos:Valores de parmetros de controlador segn tipo:
Controlador tipo P
Controlador tipo PI
Controlador tipo PID
El siguiente es un cuadro resumen con los valores de los
distintos tipos de controlador a utilizarParmetrosP
PI
PID
14.712.619.96
43.6458.91
2.077
5. Anlisis del sistema completo(Sistema de control y planta)
Primero se procedi a evaluar el sistema con un controlador tipo
P:ControladorParmetrosSet point
P=14.77.06 voltios
La variable a controlar solo se acercaba a valores cercanos a
6.4 voltios, a esto hay que sumarle que con este tipo de
controlador es muy difcil llegar a alcanzar el set point.
Luego se prob con un controlador tipo PID:
ControladorParmetrosSet point
PID =19.37.06 voltios
=58.91
=2.077
Se pudo apreciar que an no se lograba alcanzar un buen control
llegando slo a valores alrededor de 6.56 voltios, como se puede
apreciar en la siguiente figura:
Finalmente se evalu el sistema completo con un controlador tipo
PI:
ControladorParmetrosSet point
PI =12.65.00 voltios
=43.64
Se apreci que la variable controlada llegaba a valores alrededor
de los 4.5 voltios, por lo que se procedi a ajustar la ganancia del
controlador de 12.6 a 19.3 con lo que la variable controlada comenz
a ajustarse hasta llegar a alcanzar al set point con valores
alrededor de de 5 voltios.
Se cambi el set point a 7.5 voltios para una ltima prueba,
regulando la ganancia del controlador hasta 22, con el objetivo de
reducir el error; sta vez se obtuvo un mejor control llegando a
alcanzar el set point y obteniendo mrgenes muy pequeos de
variabilidad.
SISTEMA DE CONTROL DE LUZ SOLAR
Los sistemas de control de la luz permiten gestionar el
funcionamiento del sistema de iluminacin mediante el envo de seales
digitales que gestionan el encendido, el apagado o la reduccin de
la cantidad y la calidad cromtica de la luz emitida en funcin de
las necesidades reales del ambiente.Las condiciones de iluminacin
de los ambientes se pueden modificar adoptando sistemas especficos
de control de la luzen funcin de la complejidad de los ambientes y
del tipo y el nmero de variaciones de luz (escenas) que se
consideran necesarias.Las variaciones de las condiciones de luz se
pueden lograr en modalidad programada, automtica o ambas.
Lossistemas de control de la luzpermiten programar el encendido
(escenas) de los aparatos instalados para dar respuesta a los
cambios que se producen en el ambiente en funcin del uso al que se
destina.Los cambios automticos se pueden activar mediante sistemas
de gestin de la luz con sensores de presencia y sensores de luz
natural o bien de modo manual a travs de los teclados con los que
el usuario, igual que con un interruptor tradicional, puede
programar las escenas o activar las ya programadas.
Los sistemas automatizados de la luz
Iluminacin domtico no tiene por qu ser muy complicado.Usted
puede simplemente instalar un temporizador para fijar la hora del
da que la luz para funcionar.Tambin puede utilizar el temporizador
para estufas, mquinas de caf.Ms sistemas de automatizacin de
fantasa se pueden controlar desde la distancia por control
remoto.De esta manera usted puede encender o apagar las luces en
cualquier habitacin slo pulsando un botn.Estos sistemas son ms
complicados y puedes programa, regulador de intensidad de
iluminacin.Algunos otros sistemas ayudarn a ahorrar dinero en
energa.Esto se conoce como el da de la cosecha.La luz responder
automticamente a la luz del da.Tambin las luces pueden ser
conectado a una alarma para que puedan seguir cuando se puso en
marcha.
La luz natural sistemas
Los sistemas naturales ligeras que implican el uso de gafas de
sol, cortinas u otros sistemas que puedan responder a la luz del
da.Todos estos pueden ser controlados por las ondas de radio desde
un panel central.Slo puede dibujar las sombras en una prensa de un
botn.Aunque estos sistemas son agradables, que utilizan ms energa
de la que acaba de ir all y las sombras de dibujo a mano.Pueden ser
muy tiles en el caso de las personas con discapacidad.
OBJETIVOS:
Beneficios:Al automatizar un control de luminarias podremos
encontrar beneficios caractersticos los cuales son:
Eficiencia energtica:
Lo cual reducir la perdida de energa elctrica mediante el
control automtico de la iluminacin.
Ahorro de energa:
Por lo que reducir los costos y consumo de energa elctrica.
Adicionalmente se obtendrn beneficios directos por el ahorro de
mantenimiento.
Comodidad
Los usuarios u administradores de las instalaciones podrn
aprovechar del confort y la facilidad de poder manejar el
producto.
Importancia del ahorro de energa
En los ltimos aos la energa elctrica el consumo se ha elevado a
un ritmo muy rpido incrementando los costos econmicos, ya que suple
la necesidad del aparato productivo ya que est relacionado con la
vida diaria, si reflexiona al problema se debe tomar en cuenta el
gasto de energa.Debido a este crecimiento debe tomar una serie de
acciones que impida el ndice fsico del consumo energtico, para esto
no es impredecible identificar y explotar todas las reservas de
eficiencia, lo que es eliminar todas las producciones y servicios
que no estn siendo de utilidad en ese momento.PROCEDIMIENTO:
Los sistemas de control de luz conectan y regulan las
luminarias, ajustan las escenas de luz y las gestionan a nivel
cronolgico y tridimensional. La decisin que se adopte con respecto
a un cierto sistema depender del tamao de la instalacin, las
peticiones en cuanto a variabilidad y confort de manejo, as como de
aspectos de orden econmico. Los sistemas digitales con luminarias
direccionables en forma individual permiten una alta flexibilidad.
Entre las caractersticas de confort figuran no slo la programacin y
el manejo cmodos, sino tambin la sencillez de la instalacin. Los
sistemas de control de luz se dejan integrar, en calidad de
subsistema, en un sistema de gestin de edificios.
SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA1. Objetivos Determinar la
funcin de transferencia de un Sistema de control de temperatura.2.
Marco TericoLa funcin de transferencia de un sistema se define como
la relacin entre la transformada de Laplace de la variable de
salida y la transformada de Laplace de la variable de entrada,
suponiendo que todas las condiciones iniciales se hacen iguales a
cero. La funcin de transferencia de un sistema (o elemento)
representa la relacin que describe la dinmica del sistema
considerado.Una funcin de transferencia puede definirse solamente
para un sistema lineal y estacionario (de parmetro constante). Un
sistema no estacionario, denominado a veces sistema variable con el
tiempo, tiene uno o ms parmetros que varan en dicha forma y no
puede utilizarse la transformada de Laplace. Adems, una funcin de
transferencia es una descripcin entrada-salida del comportamiento
de un sistema.3. Datos experimentalesnt [s]T [C]V[V]
130.050.12
261.70.49
393.31.04
4125.31.71
5157.42.4
6188.92.91
72110.13.26
82511.23.65
92711.83.86
103012.44.05
113312.84.19
123613.24.32
133913.44.4
144213.64.47
154513.84.52
164813.94.57
1751144.6
185414.14.61
195714.24.65
206314.24.68
216614.34.69
226914.34.7
4. Obtencin de la Funcin de Transferencia
Grfica de los datos obtenidos en laboratorio
Como sabemos que la funcin de transferencia es:
Empleando el mtodo de aproximacin Strejc se puede obtener la
funcin de transferencia a travs del grfico.
Con el mtodo Strejc la respuesta del sistema se trata de
aproximar por un sistema con polos reales mltiples:
Los valores de y se buscan en la siguiente tabla, a partir de
los valores de y que se obtienen de la grfica de respuesta del
sistema.
Para obtener los valores de y de la grfica nos auxiliaremos de
la herramienta para el trazado de lneas. Se trazan las lneas de la
tangente al punto de mxima pendiente de la curva y la que coincide
con el valor final de estado estable.Que llegara a ser la funcin de
transferencia.
Clculos:Del grfico: 24.7278
De la tabla:
Del grafico podemos obtener: para una entrada escaln de
4.7[V]Por tanto la funcin de transferencia resultante es:
5. Simulacin en MATLABRelacin: Voltaje de entrada: 4.7[V]
CONCLUSIONES Conclusiones de control de nivel: Los valores
tericos nos permitirn acercarnos a la obtencin de un buen control.
Para poder obtener un buen control es necesario manipular la
ganancia del controlador hasta encontrar un nivel
ptimo.Conclusiones de control de luz: Concluimos que los sistemas
de control desempean un papel muy importante en las nuevas
tendencias de iluminacin. Desde los cambios de color hasta el
ahorro energtico, o desde la relacin entre luz y salud hasta la
integracin en los edificios automatizados.Un claro ejemplo seria:
Se trata de encender la luz automticamente al entrar en una
habitacin, el sensor de infrarrojos detecta el paso por la puerta y
ste activa la luz. Obviamente este funciona de noche, el sensor de
luz es el que activa todo el sistema.Para terminar otro claro
ejemplo muy comn: Est pensando en personas que con frecuencia dejan
prendidas las luces de sus casas o departamentos por varios das
para mantener niveles adecuados de confort e iluminacin cuando se
necesite con sistemas de fcil control que conlleva una reduccin de
costos de energa del usuario puede manipular este sistema estando
en cualquier lugar de la casa.
Conclusiones de control de temperatura: Determinamos la funcin
de transferencia empleando el mtodo grfico mostrado anteriormente.
Mediante la simulacin se pudo obtener una curva de salida idntica a
la del sistema estudiado.
Bibliografa:Benjamn Kuo, Biblioteca UDB, Clasificacin: 621.3811
K95 1996 .
(s.f.).http://proton.ucting.udg.mx/~horacioh/Compensadores.htm.
(s.f.).http://www.biblioteca.upibi.ipn.mx/Archivos/Material%20Didactico/Apuntes%20para%20la%20asignatura%20de%20instrumentaci%C3%B3n%20y%20control/cap4.pdf.
(s.f.).http://www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/electronica-ingenieria/sistemas-de-control-automatico/2013/i/guia-6.pdf.
(s.f.).INGENIERA DE CONTROL MODERNA. Tercera Edicin. Prentice Hall.
(s.f.).INGENIERA DE CONTROL MODERNA. Tercera Edicin. Prentice Hall.
(s.f.).SISTEMAS DE CONTROL AUTOMTICO. Sptima Edicin. Prentice Hall.
(s.f.).
ANEXOS:
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