1. No category

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R."
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Carrera de Ingeniería Electrónica y Control
Carrera de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones
Carrera de Ingeniería Electrónica y Redes de Información
Carrera de Ingeniería Eléctrica
LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
PRÁCTICA N°6
1. TEMA
CONTROL PID DE TEMPERATURA
2. OBJETIVOS
2.1. Implementar un controlador PID para controlar temperatura a través de una
tarjeta de adquisición de datos y un microcontrolador.
3. INFORMACIÓN
Modelo Matemático de una Planta de calentamiento
La planta a controlar está constituida por un sistema térmico y como tal posee una dinámica
lenta, siendo esto una ventaja a la hora de realizar prácticas introductorias al control, puesto
que el alumno puede ir viendo la evolución del comportamiento del regulador. Una
desventaja de utilizar dinámicas lentas es el tiempo empleado en los diferentes pasos para
el diseño del controlador.
El sistema térmico está constituido por una resistencia calefactora de 30Ω/100W (Foco). La
etapa de potencia, que deberá diseñar el alumno, está constituida por un control de fase
integral. El sensor de temperatura LM35 en contacto con la superficie del foco, mide la
magnitud a controlar, debiendo el alumno diseñar un circuito acondicionador para conseguir
la realimentación deseada.
A continuación, se procede a la identificación de la planta. Debido a que un sistema térmico
tiene respuesta monótona creciente similar a un sistema de primer orden, bastará con
introducir un escalón a la planta y observar la respuesta, a partir de la cual se deducirán los
parámetros necesarios para realizar la sintonización del controlador.
Para la planta térmica propuesta éste será el modelo elegido, puesto que como se sabe los sistemas
térmicos tienden a ofrecer una respuesta monótona creciente sin oscilaciones. La expresión
matemática para este tipo de modelo
Dirección: Ladrón de Guevara E11-253
Teléfono: (02) 2976300 Ext.2209
Quito - Ecuador
Correo: [email protected]
𝐺(𝑠) =
Donde:
K es la ganancia del proceso
td el tiempo de retardo
τ la constate de tiempo.
Con fines prácticos será k=4.45
𝐾 . 𝑒 −𝑡𝑑 𝑠
𝜏. 𝑠 + 1
𝑡𝑑 =8 𝜏 =350
CONTROL PID
Control proporcional
Para poder controlar la temperatura con menos fluctuaciones, se debe poder entregar al
horno una potencia gradual, en la medida requerida para mantenerlo a la temperatura
deseada. En el ejemplo anterior del control ON/OFF, el relé del mando de calentamiento
estará activado 100%, entregando el máximo de potencia al horno o bien desactivado sin
entregar potencia. El controlador proporcional entrega una potencia que varía en forma
gradual entre 0 y 100% según se requiera y en forma proporcional al error (SP-PV). Lo
más natural para entregar una potencia que varía de 0% a 100% en forma continua seria
usar un horno a petróleo o gas y que el control module la potencia mediante la llave de
paso del combustible. La llave cerrada seria 0% de potencia y la llave totalmente abierta
seria 100%.
Control Proporcional Derivativo PD
Un control PD es uno proporcional al que se le agrega la capacidad de considerar también
la velocidad de la temperatura en el tiempo. De esta forma se puede "adelantar" la acción
de control del mando de salida para obtener así una temperatura más estable. Si
la temperatura está por debajo del SP, pero subiendo muy rápidamente y se va a pasar
de largo el SP, entonces el control se adelanta y disminuye la potencia de los calefactores.
Al revés si la temperatura es mayor que el SP, la salida debería ser 0% pero si el
control estima que la temperatura baja muy rápido y se va pasar para abajo del SP,
entonces le coloca algo de potencia a la salida para ir frenando el descenso brusco.
Control Proporcional Integral PI
La forma efectiva de solucionar el problema del error estacionario es agregando al control
proporcional el término "Integral" llamado también a veces "automatic reset" o "reset
action", nosotros lo llamaremos "acción integral". El control será el mismo proporcional,
pero a la salida se le suma la acción integral, que la corrige tomando en cuenta la magnitud
del error y el tiempo que este ha permanecido. Para ello se le programa al control una
constante I, que es formalmente "la cantidad de veces que aumenta la acción proporcional
por segundo". La salida se corrige en una cantidad equivalente a la integral del error.
El control Proporcional, Integrativo, Derivativo
PID
Acción de PID que combina con la acción proporcional, la acción integral, la acción
derivativa es ideal para aplicaciones sensibles de temperatura. La acción proporcional
salida se desactiva en proporcional a la desviación de la temperatura actual versus la
temperatura prefijada. La acción de la derivación acorta el tiempo que toma la temperatura
para estabilizarse y acercarse al valor prefijado. La acción integral elimina cualquier
desplazamiento fuera del valor de la temperatura prefijado.
Dirección: Ladrón de Guevara E11-253
Teléfono: (02) 2976300 Ext.2209
Quito - Ecuador
Correo: [email protected]
Matemáticamente un controlador PID se encuentra expresado por:
𝐶(𝑠) = 𝐾𝑝 (1 +
1
+ 𝑇𝑑 𝑆)
𝑇𝑖 𝑆
4. TRABAJO PREPARATORIO
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
Consultar y detallar el funcionamiento y características del Toolkit de Labview
PID y sus derivados.
Describir los métodos de calibración de constantes en controladores PID
En base a la información anterior, diseñar un controlador P, PI o PID para el
modelo de la planta propuesto que sea capaz de controlar de manera eficiente
la temperatura. Presentar la respuesta del sistema a una señal paso para
comprobación de su efecto.
Diseñar un programa para Labview que adquiera la señal de temperatura de un
LM35 a través de la DAQ, con dicha señal implementar un PID (Utilizando el
toolkit PID de labview) que entregue una salida de control de 0 a 5V (salida
analógica) que será enviada a un microcontrolador el cual controlará el
conversor AC/AC cuya carga es un foco de 110V (Práctica 5 control de fase
directo).
Figura 1: Esquema del sistema a ser implementado
4.5.
Traer acoplado al LM35 cables largos para poder sensar la temperatura del foco.
5. EQUIPO Y MATERIALES





Fuente DC
Foco 100W
DAQ
Microcontrolador
LM35
Dirección: Ladrón de Guevara E11-253
Teléfono: (02) 2976300 Ext.2209
Quito - Ecuador
Correo: [email protected]
6. PROCEDIMIENTO
6.1.
6.2.
Probar los programas solicitados para el microcontrolador y LabView.
En el laboratorio se probará el funcionamiento del sistema con diferentes
constantes del PID hasta tener una respuesta del sistema adecuado.
7. INFORME
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
7.6.
Descripción y funcionamiento del sistema implementado.
Presentar el programa y el VI final desarrollado en la práctica.
Presentar el circuito final desarrollado en la práctica.
Consulte 3 procesos industriales que involucren el control de temperatura
mediante un controlador PID.
Conclusiones y Recomendaciones
Bibliografía.
Responsable: Ing. Luis Morales, MSc
Revisado por: Ing. Luis Morales., MSc
Dirección: Ladrón de Guevara E11-253
Teléfono: (02) 2976300 Ext.2209
Quito - Ecuador
Correo: [email protected]