SINTONÍA MANUAL Y ADAPTIVA.pptx

SINTONÍA MANUAL

Concepto básico

• Sintonizar un controlador como es sabido, es elegir adecuadamente sus parámetros de control en función de las características de un determinado proceso. Para lograr este objetivo se tiene en primer lugar los métodos tradicionales (manuales), dentro de los cuales existen a su vez métodos matemáticos y empíricos.

Concepto básico

• Incluiremos tan solo algunas consideraciones que nos ayudarán a manejar tanto situaciones conocidas como como algunas especiales. Finalmente revisaremos las posibilidades de la sintonía adaptiva como alternativa a la sintonía manual.

Sintonía manual

• La mayoría de los lazos de control son sintonizados manualmente siguiendo una técnica experimental, siendo muy común la técnica de “sintonía al tanteo”. Aún aquellos lazos en los cuales la sintonía inicial es determinada por una técnica mas formal tal como la de lazo abierto ( también conocida como la de la curva de reacción ) o la de la zo cerrado ( sensibilidad límite), un ajuste fino se hace necesario finalmente.

Consideraciones para la sintonía en lazo abierto

• El tamaño del escalón en la salida del controlador dependerá de las condiciones locales. Un escalón grande digamos del 10 %, es deseable para distinguir claramente la curva de respuesta del ruido producto de la medición o de otros disturbios. Por otro lado, se requiere de un cambio menor 8 digamos del 5 % o menos) , debido a la necesidad de evitar mayor disturbio al proceso.


• Con respecto a la tangente a la curva, podríamos tener dificultades para trazarla en forma precisa, por lo tanto podría haber alguna incertidumbre en el valor del aparente tiempo muerto. Si es así, deberíamos usar un valor grande en lugar de uno pequeño.

Consideraciones para la sintonía de lazo abierto

• Si examinamos la tabla de cálculo de la curva de reacción, vemos que si usamos un valor pequeño de tiempo muerto se obtendrá un valor mayor de la ganancia de proceso y un tiempo integrativo mas corto, siendo tales los efectos de ambos que tenderían a producir oscilaciones o inestabilidad en el lazo de control. El uso de tiempo muerto grande resultará en una ganancia mas baja y un tiempo integrativo mas largo, éstos serían ajustes mas conservadores para la sintonía.


• Otra consideración práctica , tiene que ver con con el cálculo del 63.2 % del valor total de la variable medida. Podría no ser fácil calcularlo si se registra en un equipo ordinario, sea un registrador o en la pantalla de un monitor de computadora. Por lo tanto , es permisible la aproximación de 2/3 en lugar del 63.2 %. La pérdida de precisión no es significativa.


• Si se requiere aproximar algo más al valor preciso, se puede tomar el 90 % al valor obtenido con la aproximación de 2 /3.

• El uso de la tabla de la curva de reacción debería estar limitado a situaciones en las que la razón del aparente tiempo muerto a la constante de tiempo aparente está entre 0.1 y 1. Esto cubre la mayoría de las aplicaciones reales.


• Si se usa un valor para el tiempo muerto menor a un décimo de la constante de tiempo, las ecuaciones de la tabla de la curva de reacción producirán una ganancia del controlador excesivamente alta. Por lo tanto, se recomienda que la relación mínima entre estos 2 parámetros sea de 0.1.

Consideraciones para la sintonía en lazo cerrado

• Tal como conocemos, éste método permite calcular los 3 términos de ajuste del controlador a partir de los datos obtenidos en una prueba rápida de características de lazo cerrado del control. El objetivo inicial es que el proceso oscile de modo contínuo y con amplitud constante.

• Una vez calculados los parámetros e introducidos en el controlador, se deberá comprobar sus efectos sobre el proceso en particular. Lo mas probable es que se requieran ajustes finos al tanteo, a partir de los valores ya establecidos.


Podría no ser tan fácil implementar éste método en la practica por diversas razones:• Es difícil controlar la amplitud de la oscilación.

Una amplitud grande no es requerida; en efecto, debe ser solo lo suficientemente grande para distinguir la oscilación de control de la banda ruidosa de la variable medida. Aún así, un cambio pequeño del set point podría ocasionar una amplitud de oscilación mas grande de la esperada.


• Para varias aplicaciones , una oscilación sostenida puede no ser tolerada.

• Muchos instrumentistas pueden objetar una oscilación sostenida, aunque la prueba sea realizada para obtener mejores ajustes de sintonía.

• Se podrían requerir varias pruebas para obtener una oscilación sostenida., requiriendo para tal efecto períodos largos de prueba y por lo tanto mayores tiempos de producción fuera de especificaciones.


A pesar de las desventajas mencionadas, éste método tiene las siguientes ventajas sobre el de lazo abierto:• El método de lazo cerrado, no asume a priori ninguna

forma de modelo de proceso.• La información obtenida de la prueba en lazo cerrado,

son mucho mayores al utilizar este método que al utilizar el de lazo abierto. Esto se debe a que la frecuencia ( o período) puede ser medido mas precisamente, mientras que el tiempo muerto y la constante de tiempo pueden ser solamente aproximados.


En un intento por obtener ventaja de ambos tipos de sintonía, podemos seguir el siguiente método de compromiso:• Inicie como si fuese a hacer una prueba en lazo cerrado, es

decir sin acción integrativa y derivativa, baja ganancia y con el controlador en automático.

• Continúe haciendo pruebas en escalón, con ganancias cada vez mas altas, hasta conseguir el cuarto de decaimiento. Debería lograrse una estabilización en un nivel alrededor del punto medio de las oscilaciones, no necesariamente en el set point, desde que no hay acción integrativa y por lo tanto existirá un offset.


• Anote el período durante el que se logra el cuarto de decaimiento ( Pq) . Si fuésemos a continuar con la prueba hasta alcanzar una oscilación sostenida, el período límite podría no ser apreciablemente mas corto que Pq. De aquí de los datos que tenemos, podemos estimar Pu como:

Pu ( est)= 0.9 Pq


• Anote la ganancia Kpq que produce el cuarto de decaimiento. Si fuésemos a continuar con la prueba hasta alcanzar la oscilación sostenida, la ganancia límite sería considerablemente mayor que Kpq, pero con una relación predecible. Usualmente , estaría entre 1.6 y 1.75 veces Kpq. De aquí, podemos estimar Kpu de la siguiente regla práctica:

Kpu ( est) = 1.67 Kpq


• Una vez que tenemos las estimaciones de Kpu y Pu usamos la tabla de cálculo conocida del método para determinar los parámetros de sintonía para los modos de control elegidos.los parámetros de sintonía del controlador, tendrán probablemente un error no mayor al 5 % de los valores que podríamos determinar si hubiésemos continuado con la prueba de la oscilación sostenida.

Optimización de los parámetros existentes

• Cuando el lazo está oscilando inaceptablemente o existe una lentitud en la respuesta del lazo para regresar al set point, particularmente despues de un cambio de carga. La tarea del instrumentista es mejorar la sintonía “ encontrada” tan rápidamente como sea posible ( con la mínima cantidad de pruebas) sin utilizar los métodos de lazo abierto o lazo cerrado.


• Si el lazo está oscilando inaceptablemente , sabemos que las oscilaciones pueden deberse a una ganancia muy alta o a una acción integrativa muy rápida o a ambas. Nótese que podemos siempre reducir la ganancia y desaparecer la oscilación. Si el lazo está yendo fuera de control( aumenta la amplitud de oscilación)probablemente sea ésta la acción correcta a realizar inmediatamente pero podría no ser la solución para todo el rango.


• Podría ser que la causa de la oscilación sea que la acción integrativa sea muy rápida.

• Si la oscilación aparenta ser aceptable( oscila a un cuarto de decaimiento o menos), tendríamos que asegurarnos si el lazo ha sido bien sintonizado. Es posible que la acción integral sea muy rápida( un efecto desestabilizador) y solamente está compensada por una ganancia muy baja ( un efecto estabilizador). En ésta situación bajo el efecto de un disturbio, la lentitud del lazo causará que la variable de proceso permanezca fuera del set point por mucho tiempo.

Cuarto de decaimiento


• Para un controlador PI, podemos determinar si el valor de la acción integrativa es correcto o no, comparando el tiempo del integrativo, en minutos por repetición, con el período de oscilación. Si el valor es aproximadamente correcto, la siguiente relación debiera darse:

1.5 Ti <= P <= 2.0 Ti


• Este rango se basa en el tiempo del integrativo existente. Si el período es mayor que lo que el rango permite, la indicación es que el tiempo existente es muy rápido. Reajustemos éste entre 1/2 y 2/3 del valor actual. Ésta será una acción estabilizadora; así, la ganancia puede incluso aumentarse, siempre y cuando el lazo no sea oscilatorio en ese momento.


• Si el período es más corto que lo que el rango permite, la indicación es que la acción integrativa podría ser más rápida. Durante un cambio de carga, probablemente no desviaríamos mucho a un lado del set point.

• Reajustemos el tiempo integrativo entre ½ y 2/3 del valor actual del período, para allí reevaluar la respuesta.


• Si también se usa el modo derivativo, es menos claro delimitar el rango. Con poca acción derivativa, los límites no diferirán mucho de los anteriores. Con una acción derivativa ( hasta ¼ del tiempo ) y con un correspondiente aumento de la ganancia del controlador y disminución de su tiempo integrativo, el período disminuirá ligeramente.


• Por lo tanto, los siguiente límites aparecerían como razonables al usar el derivativo:

2Ti <= P <= 3.33TiEn ambas ecuaciones se debe tener en cuenta que los límites no son estrictos y que éstas son reglas prácticas que tienen alguna base teórica y que deberían trabajar en la mayoría de las situaciones. Sin lugar a dudas habrá casos en las que no se podrá aplicar.

SINTONÍA ADAPTIVA

¿Qué es Sintonía Adaptiva?

• La función básica de un sistema realimentado de control es mantener la variable de procesos al set point, aún en la presencia de cambios de carga o por incertidumbres en las características del proceso. Este control trabaja bien si los parámetros del controlador han sido adecuadamente elegidos y ajustados a las características del proceso. Cuando los disturbios señalados son grandes, la respuesta del controlador puede ser inaceptable y probablemente la situación obligue a cambios rápidos y frecuentes de sus parámetros.


• Es aquí en donde cobra importancia el empleo de un controlador cuyos parámetros de sintonía se adapten a las nuevas situaciones sin la intervención directa del operador. Un controlador adaptivo se puede definir entonces como uno que posee un mecanismo para implementar una sintonía automática contínua de los parámetros del mismo.


• Actualmente muchos fabricantes de controladores ofrecen algun tipo de sintonía adaptiva en sus equipos: sintonía programada, sintonía por demanda o auto-sintonía y sintonía en línea.

Sintonía programada

• A menudo conocida como ganancia programada ( gain scheduling), cambia uno o más parámetros de control en la medida que lo hacen las condiciones del proceso o los puntos de operación del mismo. El algoritmo de control recibe una señal externa que representa la ganancia del controlador, siendo responsabilidad del usuario, ingresar el valor correcto de la ganancia del controlador, sea a través de una tabla o un programa escrito por él.


• Una extensión simple de éste concepto permite definir los 3 parámetros de control ( ganancia, tiempo del integrativo y tiempo del derivativo) por acción de una señal externa. En una tabla se tienen juegos de valores de éstos parámetros, adecuados a diferentes rangos o regioenes de operación. El usuario designa la variable que define que juego de valores se va a usar.


• El usuario designa la variable que define que juego de valores se va a usar. Esta variable puede ser el set point, la variable de proceso, el error, la salida del controlador o alguna otra variable no directamente relacionada con el proceso. Cuando la variable está dentro de la región definida por límites especificados, los parámetros relacionados son ingresados al controlador.

Ejemplo de una tabla para sintonía programada

Región Rango Ganancia Reset Derivativo

1 0- 30% G1 R1 D1

2 30 - 70% G2 R2 D2

3 70 - 100% G3 R3 D3

Auto- sintonía

• Esta forma de sintonía adaptiva, automatiza el uso del método de la curva de reacción para la sintonía de un controlador. En su forma mas simple, el controlador utiliza los parámetros de sintonía existentes hasta que se entrega una orden, tal como presionar un botón etiquetado como “tune”, para determinar los nuevos parámetros de sintonía. Entonces se lleva a cabo automáticamente el siguiente procedimiento:

Auto- sintonía

• El controlador se coloca en “manual”.• La salida del controlador es variada en una

cierta cantidad ( la cantidad no es usualmente preprogramada, pero es establecida por el usuario como un parámetro de configuración).

• Se observa la respuesta al cambio en escalón. Los datos serán muestreados y almacenados hasta observar la respuesta completa.

Auto- sintonía

• Algún tipo de análisis numérico será realizado en los datos observados en la respuesta, para determinar un modelo matemático aproximado del proceso; éste podría ser tan simple como un retardo de primer orden mas tiempo muerto.

• Una vez que los parámetros del proceso han sido determinados, se utiliza algún tipo de ecuaciones correlativas para determinar tentativamente valores de los parámetros de sintonía del controlador.

• Estas ecuaciones podrían ser las de Ziegler Nichols.

Sintonía en línea

• Mas conocida como “self – tuning”, es una técnica en la cual un programa auxiliar en el controlador, evalúa automáticamente el comportamiento en lazo cerrado y calcula y modifica los pàrámetros de sintonía cada vez que sea necesario. En algunos casos, se usa para esto, una técnica de reconocimiento de patrones, en otros, un procedimiento matemático mas formal.

Sintonía en línea

• Las técnicas utilizadas en controladores con ésta característica distinguen 2 tipos: Sintonía en línea directa y sintonía en línea indirecta.. En el primer caso, el controlador mide el rendimiento de control directamente de los datos de entrada y salida . En el segundo, primero se identifica un modelo del proceso por parte del bloque estimación de parámetros: éste modelo es luego usado por el bloque de diseño para calcular los parámetros del controlador que obtengan cierto rendimiento previamente especificado.

Sintonía en línea

• Un criterio importante que se asume normalmente para lograr los algoritmos en forma sencilla, es que el modelo del proceso es lineal y sus parámetros son constantes pero desconocidos. En la práctica esto es válido si las perturbaciones de entrada y de salida de sus valores en el estado estable son pequeñas y la variación de sus parámetros de proceso es lenta en comparación con el tiempo de adaptación o de estimación de los parámetros.

Controlador con sintonía adaptiva

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