1. 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)
- 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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2. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
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 CONTROL
a. 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 experiencia
a. 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. Específicos
o 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 ventilador
c. Luego encender el control de temperatura
d. Establecer el SET POINT
e. Iniciar la toma de datos, estableciéndolo como tiempo inicial el
momento en que se encendió el control de temperaturas
f. Hacer la toma de datos respectiva
c. Resultados esperados
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6. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
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
Tiempo T° ( ºC) tiempo de %R
( seg) Act.
0,00 29,5 0 36
5 30,0 0 40
10 30,5 0 45
15 31,5 0 49
20 32,0 0 54
25 33,0 0 58
30 34,0 0 63
35 34,5 0 68
40 35,5 0 71
45 36,5 0 77
50 37,5 0 81
55 37,5 0 85
60 38,5 0 90
65 39,0 0 94
70 39,5 0 98
75 39,5 1 99
80 39,5 1 99
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120 GRAFICA Nº 5 CONTROLADOR ON /OFF
100
80
RESPUESTA
60
control
encendido-
40 apagado
20
0
Grafica Nº6 Accion ON/OFF con
interferencia
120
TEMPERATURA,RESISTENSIA.SP
100
80
temperatura
60 controll
%R
40
sp
20
0
30
60
90
240
450
120
150
180
210
270
300
330
360
390
420
480
0.00
TIEMPO DE RETARDO EN LA PRUEBA 3
Nº de retardos Tiempo (seg) Set point T de salida
( ºC) (ºC)
1 360 41 43
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370 41 44,5
380 41 44,5
390 41 44,5
410 41 44
420 41 44
5.-DISCUSION
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.
1. Experimento 1 acción ON OFF sin interferencia
GARFICO N º1 DE LA ACCION ON -OFF SIN INTERFERENCIA
110.0
TEMPERATURA,RESISTENCIA,TIEMPO DE
100.0
90.0
80.0
70.0
ACTUACION, SP
T°
60.0
50.0 Control
40.0 resistencia
30.0 sp
20.0
10.0
0.0
0.00
30
60
90
625
145
205
265
325
385
445
505
565
685
745
805
865
925
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
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18. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
Min = 29.5
Pico
superior
Pico
inferior
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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19. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
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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20. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
Max = 42.5
SP = 41
Min = 29.5
Pico
superior
Pico
inferior
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.
Tiempo de
retardo
Nos damos cuenta que el tiempo de actuación se eleva a uno cuando la resistencia llega
al 100%
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21. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
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).
Análisis de la tres graficas
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22. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
50.0 Tres experimentos sin
interfe…
45.0
40.0
35.0
30.0
25.0
1
1
6
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
1
1
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”.
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23. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
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.
APENDICES
a. Recojo de información
HOJA DE RECOJO DE DATOS: EXPERIMENTO 3
Equipo de estudiantes: 1) Condori Cameron, Christian 5) Caspara Choquepuma,
(Coordinador) Deyssi
2) Huamaní Zuñiga, Ivon (Seguridad) 6) Mamani Laura, Kely
3) Mamani Martínez, Gleny (Secretaria) 7) Huaranca Huamán,
Salvador
4) Apaza Quispe, Carlos
EXPERIENCIA 1 EXPERIENCIA 2 EXPERIENCIA 3
Tiempo T° Tiempo Tiempo T° Tiempo Tiempo T° Tiempo
%R %R %R
(seg) (°C) de Act. (seg) (°C) de Act. (seg) (°C) de Act.
0 29.5 0 36 0 36 1 99 0 45.5 0 0
10 30.0 0 40 10 36.5 1 99 10 45 0 0
15 30.5 0 45 15 37.5 1 99 15 44.5 0 0
20 31.5 0 49 20 39.5 1 99 20 44 0 0
25 32.0 0 54 25 41 1 99 25 43 0 0
30 33.0 0 58 30 42.5 0 0 30 42.5 0 0
35 34.0 0 63 35 42 0 0 35 42 0 0
40 34.5 0 68 40 42 0 0 40 41 0 3
45 35.5 0 71 45 41.5 0 0 45 40.5 0 7
50 36.5 0 77 50 41 0 0 50 40 0 12
55 37.5 0 81 55 40.5 0 0 55 39.5 0 16
60 37.5 0 85 60 40 0 5 60 38.5 0 21
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26. 2 de noviembre de 2011 [CONTROLADORES ON-OFF]
555 43 0 0
560 42.5 0 0
565 42 0 0
570 41.5 0 0
e. Ejemplo de cálculo
Un sistema de control ON/OFF perfecto es aquel que debe tener el siguiente comportamiento:
g. Bibliografía
i
WEB: http://isa.uniovi.es/docencia/autom3m/Temas/Tema7.pdf [Consultado: 25/10/11]
ii
WEB: http://www.esi2.us.es/~fsalas/asignaturas/LCA3T_05_06/temp05v1.pdf [Consultado:
25/10/11]
iii
Carlos A. Smith-Armando B. Corripio “Control automático de procesos” .Primera edición,
México, 1991.pp 20.
iv
WEB: http://www.esi2.us.es/~fsalas/asignaturas/LCA3T_05_06/temp05v1.pdf [Consultado:
25/10/11]
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