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