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Sistemas de Control Automático. Guía 8
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Facultad: Ingeniería.
Escuela: Electrónica.
Asignatura: Sistemas de Control Automático.
Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio
3, 2da planta).
Tema: Encontrando fallas en un sistema de control automático
con un controlador PID.
Objetivos específicos

Apreciar el principio de regulación y aplicarlo, con referencia a un modelo de un sistema de
control automático.

Realizar revisiones estáticas y dinámicas en el sistema, usando señales apropiadas.

Evaluar la eficiencia de la regulación, la desviación del controlador, atenuación, tiempos
iniciales y de calibración del controlador y así reconocer un sistema con falla.

Registrar la respuesta al escalón de un sistema de control automático para establecer cualquier
cambio en la planta.

Revisar los elementos de transferencia individual dentro del sistema controlado.

Determinar las características y la respuesta de transferencia del sistema controlado, por medidas
y cálculos.

Estimar y explicar el efecto del cambio de los parámetros del controlador, en un sistema de
control automático optimizado previamente.
Materiales y equipo
•
•
•
•
•
•
•
•
1 Circuito de control con un controlador PID. [S03538-5L]
1 Fuente +/-15 VDC. [SO3538-8D]
3 Puentes blancos
2 Cables de conexión
1 Computadora con Run Intuilink Data Capture instalado
1 Osciloscopio digital [DSO1052B]
2 Puntas para el osciloscopio
1 Cable USB tipo A/B
Introducción teórica
El simulador de fallas usado (“Circuito controlador con un regulador PID”), es un modelo electrónico de
un sistema de control automático. El diagrama de bloques de la Figura 8.1 ilustra las funciones
principales de la regulación y sus valores característicos.
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Sistemas de Control Automático. Guía 8
En operación, el sistema de control funciona como una regulación de valor fijo con un valor de
referencia (set point) de 3V. La regulación tiene una respuesta PID y en la salida de la planta, hay una
variable de disturbio, continuamente cambiante.
Para propósitos de prueba, este modo de operación puede, dentro de límites dados, ser modificado. La
señal de disturbio puede sacarse y el controlador puede cambiarse de modo que sólo las secciones de
transferencia individual P, I o D estén activas. También el sistema de control puede interrumpirse y en
lugar de las señales de valor de referencia, pueden seleccionarse señales de prueba.
Figura 8.1 Diagrama del sistema Planta-Controlador utilizado en la detección de fallas.
De acuerdo a las necesidades de una regulación de valor fijo, el sistema de control está optimizado para
la respuesta a la perturbación.
La respuesta óptima se da cuando, en el caso de cualquier perturbación, la regulación resultante sigue
siendo fija, criterio de efectividad. Por consideraciones teóricas, el área definida de regulación está
evaluada para estos criterios. En la práctica sin embargo, la calibración más apropiada del controlador
depende mucho de los requerimientos técnicos de la instalación completa en la cual el sistema de
control automático funciona.
En el caso que se verá aquí, las decisiones se tomaran desde el punto de vista práctico, ya que una
revisión del área mínima de regulación, indiferentemente de si es lineal o cuadrática, es muy difícil con
un osciloscopio.
De este modo, el criterio principal para la calibración óptima, seria una buena respuesta amortiguada
del controlador, donde la variable del controlador llega a su estado estable sin oscilación o
sobreimpulso; esto ocurriría en el tiempo de establecimiento más corto posible y con mínima desviación
del controlador.
Usando la calibración del controlador dada en el diagrama de bloques, la respuesta al escalón de
perturbación es en pulsos, la cual puede revisarse fácilmente en el osciloscopio.
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En la operación del PID libre de fallas, se obtienen los siguientes valores, con una variable de disturbio
efectiva (tren de pulsos) y un valor de referencia de 3V:
➢ Rango máximo de oscilación de la variable controlada Xm = 1.5 V
➢ Tiempo de establecimiento = Ta = tiempo de control inicial = Tan = 3.5ms.
En el oscilograma de la Figura 8.2 se presenta la respuesta a la señal escalón; libre de falla, operación
PID; disturbio efectivo variable y valor de referencia de 3V. (Variable medida, xd)
Figura 8.2 – Oscilograma de operación PID sin falla.
El oscilograma de la Figura 8.3 se presenta la respuesta a la señal escalón, libre de falla, operación P,
disturbio efectivo variable y valor de referencia de 3 V. (Variable medida, xd)
Figura 8.3 Oscilograma de operación P sin falla.
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Sistemas de Control Automático. Guía 8
En la operación P libre de fallas y retirando la variable de disturbio se obtiene una d iferencia de control
o error xd =0.8 V
Procedimiento
Nota:
Lea la guía de laboratorio antes de realizar el procedimiento. Esto le ayudará a clarificar el
objetivo perseguido, así como le ahorrará tiempo al ejecutar la práctica.
1. Coloque el simulador de fallas en operación, coloque el controlador en PID, el valor de
referencia (W) en 3V, el disturbio o perturbación (Z) como tren de pulsos y cierre el lazo de
control activando el interruptor.
2. Revise el funcionamiento del sistema libre de fallas, haciendo uso del osciloscopio obtenga la
señal de Xd e identifique los valores de magnitud y período esperados bajo condiciones
normales. (deberá observar la señal mostrada en el Oscilograma de la Figura 8.2). Si lo considera
necesario, anote sus observaciones, diagramas o figuras.
3. Una vez realizada la inspección del sistema libre de fallas, informe al docente de laboratorio que
está listo para realizar la siguiente fase de la práctica, se ingresarán varias fallas al sistema y usted
deberá identificarlas.
4. Al ingresará cada falla al sistema, siga el flujograma mostrado en la Figura 8.4, revise el anexo
para saber la nomenclatura y como probar los elementos del sistema y vaya completando la hoja
de trabajo donde debe:
a) Describir la condición de falla
b) Completar una tabla de mediciones
c) Evaluar las mediciones hechas para encontrar y describir la falla.
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Sistemas de Control Automático. Guía 8
ANEXOS:
INFORMACIÓN DEL EJERCICIO
Lista de símbolos usados
KD
KI
KP
KS
TA
Ta
Tan
TD
Tg
TI
Tn
TT
Tu
TV
TV/T1
Ty
w
Wh
x
xa
xA
xe
xd=e
xh
xm
y
z
Coeficiente diferencial
Coeficiente integral
Coeficiente proporcional
Coeficiente de transferencia de la línea en su estado continuo
Elevación, o respuesta, tiempo
Tiempo de establecimiento
Tiempo de control inicial
Tiempo diferencial
Tiempo de compensación
Tiempo integral
Tiempo de acción integral
Tiempo muerto
Tiempo de retraso
Duración Pre-Hold
Rango de frecuencia efectiva de corrección del controlador D (controlador D, Máxima
ganancia)
Tiempo flotante
Entrada de control
Entrada de rango de control
Variable controlada
Señal de Salida (general)
Valor de la variable controlada (como salida)
Señal de entrada (general)
Diferencia de control
Rango de control
Máximo rango de oscilación de la variable controlada
Salida controladora
Variable de disturbio o perturbación
Determinación de los valores característicos
Elemento-P
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Elemento-I
Elemento-D (DT1)
Comparador
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Sistemas de Control Automático. Guía 8
Hoja de trabajo 1:
Falla No. _______
Descripción de la condición de falla:
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Revisión hecha
Variable
Condición de la Resultado/
Ref a
en:
medida
medida
Cálculo
Oscilograma No.
Conclusiones
Descripción de la falla:
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
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X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
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Hoja de trabajo 2:
Falla No. _______
Descripción de la condición de falla:
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Revisión hecha
Variable
Condición de la Resultado/
Ref a
en:
medida
medida
Cálculo
Oscilograma No.
Conclusiones
Descripción de la falla:
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Sistemas de Control Automático. Guía 8
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
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Hoja de trabajo 3:
Falla No. _______
Descripción de la condición de falla:
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Revisión hecha
Variable
Condición de la Resultado/
Ref a
en:
medida
medida
Cálculo
Oscilograma No.
Conclusiones
Descripción de la falla:
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Sistemas de Control Automático. Guía 8
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
X = ______ ms/div
Y = ______ V/div
Oscilograma No. _____
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Análisis de Resultados
1. Presente las hojas de trabajo de cada una de las fallas encontradas.
Bibliografía
•
Kuo, B., (1996), Sistemas de Control Automático, México DF, México: Prentice Hall
Hispanoamericana, S.A.
•
Lucas Nülle, (1987), Fault Finding In Automatic Control System with PID Controller , 1a versión.
SO5157-8K.
Sistemas de Control Automático. Guía 8
Hoja de cotejo:
8
Guía 8: Encontrando fallas en un sistema de control automático
con un controlador PID.
Puesto No:
Docente:
GL:
Alumno:
Fecha:
EVALUACIÓN
%
1-4
5-7
8-10
CONOCIMIENTO
25
Conocimiento y
explicación
incompleta de
los fundamentos
teóricos.
Conocimiento completo
y explicación clara de
los fundamentos
teóricos.
APLICACIÓN
DEL
CONOCIMIENTO
70
Cumple con dos
de los criterios.
Cumple con los tres
criterios.
ACTITUD
2.5
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.
Cumple con uno de los
siguientes criterios:
-Identifica fallas en un sistema
de control automático que no
son provocadas por el
controlador PID.
-Identifica las fallas provocadas
por el controlador PID.
-Identifica que es lo que se debe
corregir para solventar las fallas.
Es un observador pasivo.
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.
Participa propositiva e
integralmente en toda la
práctica.
2.5
TOTAL
Es ordenado pero no hace un
uso adecuado de los recursos.
Hace un manejo
responsable y adecuado
de los recursos
conforme a pautas de
seguridad e higiene.
Nota
15