Regulador PID con convertidores de frecuencia DF5, DV5, DF6, DV6. Página 1 de 10 A Regulador PID

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1 A Página 1 de 10 A Regulador PID

2 INDICE 1. Regulador PID 3 2. Componente proporcional : P 4 3. Componente integral : I 4 4. Componente derivativa : D 4 5. Control PID 4 6. Configuración de parámetros del PID 5 7. Estructura de los parámetros del regulador PID 6 8. Cálculos internos del regulador PID 7 9. Definición del punto de consigna, PC Ajuste de escala Ejemplo de control de caudal Ejemplo de control de temperatura por aporte de aire frio 10 Regulador PID A Página 2 de 10

3 1 - Regulador PID Los variadores de frecuencia incorporan un regulador PID que puede ser usado, por ejemplo, para controlar flujo o caudal en ventiladores y bombas, temperatura, presión, etc. El control PID tiene las siguientes características : El punto de consigna (PC) se puede entrar con el propio teclado y/o su potenciómetro o por medio de señales externas a través de las entradas digitales (frecuencias fijas). Es posible tener hasta 16 diferentes PC. Se puede introducir, también, por medio de la Entrada Analógica (EA) (0-10V o 4-20 ma). El valor de la Variable de Proceso (VP) se obtiene con la EA de tensión (0-10 V) o de corriente (0-20 ma). El rango para la VP se puede escalar de manera específica (p.e. 0-5V, 4-20 ma, u otros rangos). Con la ayuda del ajuste de escala, se puede adaptar la señal del PC y/o el valor actual de la VP a las unidades físicas o de ingeniería deseadas (p. e. caudal de aire, temperatura, etc.) y verlos así mismo en el display. La P es la componente proporcional, la I es la integral y la D es la diferencial o derivativa. En ingeniería de control a la unión de los 3 componentes se le denomina o bien control PID en bucle cerrado, o bien regulación PID o bien control PID. Este control se usa en muchas aplicaciones, p. e. control de caudales de agua y/o de aire, presión, temperatura, etc. La frecuencia de salida de los variadores de frecuencia se controlan con un algoritmo PID para intentar igualar el PC con la VP. La figura siguiente muestra un control PID en diagrama de bloques: G1 : Variador de frecuencia 1 Sistema de control de la desviación w : PC (Punto de Consigna) 2 Variador de frecuencia x : VP (Variable de Proceso) 3 Ventiladores, bombas o elementos similares P1 : Medida a controlar 4 Valor de PC Punto de Consigna de Frecuencia B1 : Convertidor de la medida a controlar NOTA : El control PID solo es posible si antes se ha definido el tipo de valor del PC y de la VP La siguiente figura se muestra un sistema de control de ventilación G1 : Convertidor de frecuencia P1 : Medida a controlar w : PC (Punto de Consigna) B1 : Convertidor de la medida a controlar x : VP (Variable de Proceso) 1 Ventilador Página 3 de 10 A Regulador PID

4 2 - Componente proporcional : P Esta componente asegura que la salida de frecuencia y la desviación que hay entre PC y VP sean proporcionales entre si. Con el Parámetro Número (PNU) A072 se puede definir la ganancia proporcional (Kp) en %. La siguiente figura muestra la relación entre la desviación y la salida de frecuencia. Una Kp muy grande genera una grande y rápida respuesta de corrección. Pero si es demasiado grande el sistema se vuelve inestable f : frecuencia de salida x : Desviación entre PC y VP Kp : ganancia proporcional La máxima frecuencia de salida es del 100 %. Con el PNU A072 se puede modificar la Kp entre 0.2 y Componente Integral : I Esta componente actúa corrigiendo la salida de frecuencia con la integral de la desviación. Con solo la componente P, a una gran desviación le corresponde una gran corrección de la salida de frecuencia. Mientras que a una pequeña desviación le corresponde una pequeña corrección. Por lo que el sistema no puede eliminar totalmente dicha desviación. Por eso se necesita la componente integral. Esta componente genera y aplica una corrección continua a la salida de frecuencia para intentar llegar a reducir la desviación a 0. El valor inverso de la ganancia integral es el tiempo de integración Ti = 1/Ki El PNU A073 permite fijar el Tiempo de Integración (Ti) entre segundos (DF5, DV5) y entre segundos (DF6, DV6). Un 0 anula dicha componente. 4 - Componente Derivativa : D Esta componente actúa corrigiendo la salida de frecuencia con la derivada de la desviación. Como la componente P usa solo el valor actual de la desviación y la componente I sola lo hace basándose en valores de acciones anteriores, siempre existe un cierto retraso en la actuación. La componente D corrige este comportamiento. Esta componente genera y aplica una corrección a la salida de frecuencia basándose en la velocidad con que se producen cambios en la desviación. De esta manera la salida de frecuencia puede ser compensada rápidamente. El PNU A074 permite fijar la constante derivativa Kd entre 0 y 100 segundos. Un 0 anula dicha componente. 5 - Control PID El control PID usa las tres componentes descritas anteriormente. Para conseguir el mejor control, se deben de parametrizar todas ellas. La componente P garantiza un control uniforme y un comportamiento sin grandes saltos en la salida de frecuencia. La componente I minimiza la desviación residual constante y la componente D asegura una rápida respuesta frente a un cambio brusco en la VP. El control diferencial es muy sensible al usar la derivada de la desviación y responde con correcciones indeseadas que provocarán la inestabilidad del sistema. No se suele usar para controlar caudales, presiones y temperaturas. Regulador PID A Página 4 de 10

5 6 Configuración de parámetros del PID Los parámetros de las componentes del PID se han de poner en función de la aplicación y de las características del sistema de control. Para que un control PID sea efectivo se han de conseguir los siguientes puntos : Un comportamiento estable y continuo. Una respuesta rápida Una pequeña o nula desviación residual constante Los parámetros Kp, Ti y Kd deben configurarse para un rango operativo estable. Normalmente al incrementar Kp, Ki (=disminución de Ti) y Kd la respuesta del sistema es más rápida. Pero un gran incremento de ellos causará una inestabilidad en el sistema de manera que el valor actual de la variable de proceso comenzará a oscilar y en el peor de los casos lo que se conseguirá será un comportamiento divergente. Ver figuras siguientes. Comportamiento divergente Oscilación, amortiguación w : punto de consigna PC 1 : Señal de salida Comportamiento óptimo Control lento, desviación larga y continúa La siguiente tabla muestra las directrices para configurar cada parámetro : Un cambio de Punto de Consigna (PC) Causa una respuesta lenta Causa una rápida e inestable reacción Aumentar la componente proporcional (Kp) Disminuir la componente proporcional (Kp) Variable de Proceso Muy diferentes Disminuir la componente integral (Ti) (VP) y Punto de Consigna (PC) Se aproximan después de una oscilación Aumentar la componente integral (Ti) Al aumentar la La respuesta sigue siendo lenta Aumentar la componente derivativa (Kd) componente proporcional (Kp) La respuesta sigue siendo inestable Disminuir la componente derivativa (Kd) Página 5 de 10 A Regulador PID

6 7 Estructura de los parámetros del regulador PID El PID se activa/desactiva por el parámetro PNU A071 PNU Designación Modificable online Valores permisibles/significado Normal Extendido A071 Selección PID en - 00 : Inactivo marcha o no 01 : Activo A001 Definición f consigna : Por Potenciómetro del teclado 01: Por Entrada Analógica O (0 a 10V), OI (4 a 20 ma), potenciómetro externo 02: Por PNU F001 y/o PNU A020 A011 Frec. mínima con Hz (DF5, DV5), 0 400Hz (DF6, DV6), (PC) Punto de Frecuencia que corresponde al mínimo voltaje consigna configurado en PNU A013 A012 A013 A014 F001 Frec. máxima con(pc) Punto de consigna 0 360Hz (DF5, DV5), 0 400Hz (DF6, DV6), Frecuencia que corresponde al máximo voltaje configurado en PNU A014 Mínimo valor de EA, entrada por O ó OI 0 a 100% (máximo valor +10V o a 20 ma) 0 Máximo valor de EA, 0 a 100% (máximo valor +10V o a 20 ma) 100 entrada por O ó OI Entrada/indicación 0,5 360Hz (DF5, DV5), 0,1 400Hz (DF6, 0.0 f consigna (±0.1Hz). Se puede definir : Con PNU F001 o A020: Poner 2 en PNU A001 Con pot. del teclado: Poner 0 en PNU A001 Con EA 0-10v / 4-20mA en las entradas O / OI : Poner 1 en PNU A001 Con entradas digitales como frecuencias fijas FF1 a FF4. Seleccionar antes las frecuencias. La indicación del PC no depende del método usado A072 Componente P (Kp) 0.2 a 5.0 Ajuste de la componente proporcional 1.0 A073 Componente I (Ti) 0 150s (DF5, DV5) s (DF6, DV6). 1.0 Ajuste del tiempo de la integral A074 Componente D (Kd) 0.0 a 100s Ajuste del tiempo de la derivada 0.0 A075 Factor consigna PID a Factor multiplicador del PC para su 1.00 visualización en el display A076 Valor actual de señal : Valor EA por entrada OI (4 a 20mA) 00 entrada para PID 01: Valor AE por entrada O (0 a 10V) d004 Valor actual de VP x factor Sólo con PID activo. El factor se pone en PNU A075. Valor por defecto w : Punto de Consigna (PC) 1 Definición de frecuencia por : teclado, potenciómetro, frecuencias fijas x : Variable de Proceso (VP) 2 Definición de la EA por : potenciómetro, entradas analógicas de fo : Salida de frecuencia corriente o tensión Regulador PID A Página 6 de 10

7 8 Cálculos internos del regulador PID Todos los cálculos internos del algoritmo del PID se muestran al exterior en porcentajes de tal manera que se pueden usar distintas unidades de ingeniería tales como : Presión (N/m 2 ), Caudal (m 3 /min), Temperatura o C, etc. El PC y la VP pueden, por ejemplo, ser comparados en porcentajes. La función de escalado es posible con el PNU A075. Cuando se usan estos parámetros se pueden definir directamente tanto el PC como la VP en unidades de ingeniería. Además la EA se puede definir con los parámetros PNU A011 a A014 para que se pueda usar también como unidades de ingeniería. Los siguientes gráficos muestran estas posibilidades. 9 Definición del Punto de Consigna, PC El PC se puede definir por : 1) el teclado o potenciómetro. 2) Por las entradas digitales (frecuencias fijas). 3) Por las entradas analógicas (terminales O L o OI L). Si el PC se define utilizando frecuencias fijas, éstas se deben de haber prefijado antes en los PNU s A021 A035 Si el PC se define utilizando las entradas analógicas se debe definir, con el PNU A076 el tipo de señal que se usará o 0 10V (terminales O L) o 0 20mA ( terminales OI L). Se puede adaptar el control PID a cualquier aplicación, escalando el valor de la VP tal y como se muestra a continuación. PNU A013 = 20% PNU A013 = 0% PNU A013 = 25% PNU A014 = 100% PNU A014 = 50% PNU A014 = 75% PNU A013 = 20% PNU A013 = 0% PNU A013 = 25% PNU A014 = 100% PNU A014 = 50% PNU A014 = 75% PNU A011 = 25% PNU A011 = 0% PNU A011 = 25% PNU A012 = 100% PNU A012 = 75% PNU A012 = 75% El valor del PC debe estar dentro del rango válido del eje vertical, si el valor de los PNU s A011 y A012 es distinto de cero y/o de 100. Como fuera de estos rangos la señal analógica de realimentación no es correcta, no se puede garantizar un control y un funcionamiento estable. En este caso el variador de frecuencia podrá : Poner la salida a la máxima frecuencia Ponerse en modo STOP Poner la salida al límite inferior de frecuencia Página 7 de 10 A Regulador PID

8 10 Ajuste de la escala Este ajuste permite que tanto el PC como la VP puedan ser mostrados en el display directamente en unidades de ingeniería. E incluso permite entrar el PC en dichas unidades. Por eso el 100% del valor de la VP se toma como base. Por defecto las entradas y los displays se basan en porcentajes de %. En el primer gráfico del apartado anterior a 20 ma de la señal de realimentación le corresponden el 100% del factor interno del PID. Por ejemplo si el rango de caudal es de 60m 3 /h con una señal de realimentación de 20 ma, en el PNU A075 se debe poner un 0.6 (=60/100). Con el PNU d004 la variable de proceso VP corregida se puede visualizar y el valor del PC debe de ser entrado directamente como unidades de ingeniería. Valor por defecto PNU A075=1.0 PNU A075=0.6 w : Punto Consigna PC x : Variable de Proceso VP 1 : Ventilador Hay que tener en cuenta que los mismos parámetros tienen distinto significado según se esté trabajando en modo control de frecuencia (normal) o en modo PID : PNU Significado de los parámetros en Modo control de frecuencia Modo PID d004 - Indicación del valor actual de la VP (de manera opcional, multiplicado por factor PNU A075 ) F001 Frecuencia de consigna por teclado Indicación del valor del PC A001 Tipo de frecuencia de consigna Definición del PC A011 Frecuencia con mínimo valor de consigna Rango de la VP correspondiente a A013 A012 Frecuencia con máximo valor de consigna Rango de la VP correspondiente a A014 A013 Mínimo valor de consigna Umbral más bajo de aceptación de tensión o corriente de la VP (%) A014 Máximo valor de consigna Umbral más alto de aceptación de tensión o corriente de la VP (%) A021 A035 Frecuencias fijas 1 15 Valores de 16 posibles PC s definibles con las entradas digitales A071 - PID activo/inactivo A072 - Componente P (proporcional) del PID A073 - Componente I (Integral) del PID A074 - Componente D (Derivativa) del PID A075 - Factor aplicar al PC del contro lpid para poder trabajar con unidades de ingeniería. A076 - Señal actual de la VP para el PID Regulador PID A Página 8 de 10

9 11 Ejemplo de control de caudal Este es un ejemplo práctico de control de caudal a realizar con la maleta demo en el que el Punto de Consigna (PC) se puede variar de 0 m 3 /h a 500 m 3 /h, según la posición del potenciómetro del propio teclado. w : Valor de Punto de Consigna (PC), por potenciómetro del propio teclado x : Variable de Proceso VP (de 0 m 3 /min [A011] a 2V [A013] hasta 500 m 3 /min [A012] a 10V [A014]) B1 : Convertidor caudal/tensión P1 : Sensor de caudal 1 : Ventilador Para realizar este ejemplo 1 - Se han de poner los valores por defecto de fábrica. 2 - Para apreciar mejor el control PID se han de poner las rampas (PNU F01 y F02) al mínimo valor (0.1 seg.) 3 Poner los valores que hay en la tabla en cada uno de los parámetros. PNU Significado en Modo PID Valor Notas A001 Selección del valor del PC 00 Por potenciómetro del teclado A071 Control PID activo/inactivo 01 Control PID activado A072 Componente P (proporcional) del PID 1,5 En función de aplicación y sistema control A073 Componente I (Integral) del PID 7.0 En función de aplicación y sistema de control A074 Componente D (Derivativa) del PID 0.0 En función de aplicación y sistema de control b86 Factor de visualización de la frecuencia de salida para el d a 50.0 (Hz) por 10,0 = 0 a 500 (m 3 /min). A075 Factor aplicar al PC del control PID 5.0 De 0 a 100(%) por factor = de 0 a 500(m 3 /min) A076 Selección del tipo de señal de VP para el PID 01 La VP es en tensión en los terminales O L A011 Rango de la VP correspondiente a A013 0(*) 0 % de la VP (0% de 500 m 3 /min = 0) A012 Rango de la VP correspondiente a A (*) 100 % de la VP (100% de 500 m 3 /min = 500) A013 A014 F01 Umbral más bajo de aceptación de tensión de 20 la VP (%) 20% de tensión de la VP (10V * 20% = 2V) Umbral más alto de aceptación de tensión de 100 la VP (%) 100% de tensión de la VP (10V * 100%=10V) Visualización del valor del PC en el momento Una vez introducido el factor (PNU A075), en de entrar en el F01. Está en función de la unidades de ingeniería de 0 a 500 m 3 /min. posición actual del potenciómetro del teclado (*) Estos valores son en unidades de ingeniería si antes se ha introducido el factor en PNU A075 Con este control de flujo, si el PC es mayor que la VP, la salida de frecuencia del variador aumenta y aumentará el caudal y si el PC es menor que la VP, la salida de frecuencia del variador disminuye, disminuyendo el caudal. Es lo que se denomina un PID directo. Página 9 de 10 A Regulador PID

10 12 Ejemplo de control de temperatura por aporte de aire frio Este es un ejemplo práctico de control de temperatura a realizar con la maleta demo en el que el Punto de Consigna (PC) se puede variar entre 0 o C y 50 o C según la posición del potenciómetro del propio teclado. w : Valor de Punto de Consigna (PC), por potenciómetro del propio teclado. x : Variable de Proceso VP (de 50 o C [A011] a 0 V [A013] hasta 0 o C [A012] a 10 V [A014]) B1 : Convertidor temperatura/tensión P1 : Sensor de temperatura 1 : Ventilador Para realizar este ejemplo 1 - Se han de poner los valores por defecto de fábrica. 2 - Para apreciar mejor el control PID se han de poner las rampas (PNU F01 y F02) al mínimo valor (0.1 seg.) 3 Poner los valores que hay en la tabla en cada uno de los parámetros. PNU Significado en Modo PID Valor Notas A001 Selección del valor del PC 00 Por potenciómetro del teclado A071 Control PID activo/inactivo 01 Control PID activado A072 Componente P (proporcional) del PID 1,5? En función de aplicación y sistema de control A073 Componente I (Integral) del PID 7.0? En función de aplicación y sistema de control A074 Componente D (Derivativa) del PID 0.0? En función de aplicación y sistema de control b86 Factor de visualización de la frecuencia de salida para el d a 50.0(Hz) por 1.0 = 0 a 50( o C). A075 Factor aplicar al PC del control PID 0.5 De 0 a 100(%) por factor = de 0 a 50( o C). A076 Selección del tipo de señal de VP para el PID 01 La VP es en tensión en los terminales O L A011 Rango de la VP correspondiente a A013 50(*) 100 % de la VP (100% de 50 o C = 50) A012 Rango de la VP correspondiente a A014 0(*) 0 % de la VP (0% de 50 o C = 0) A013 A014 F01 Umbral más bajo de aceptación de tensión de 0 la VP (%) 0% de tensión de VP (0% de 10V = 0V) Umbral más alto de aceptación de tensión de 100 la VP (%) 100% de tensión de VP (100% de 10V = 10V) Visualización del valor del PC en el momento Una vez introducido el factor (PNU A075), en de entrar en el F01. Está en función de la unidades de ingeniería de 0 a 50 o C. posición actual del potenciómetro del teclado (*) Estos valores son en unidades de ingeniería si antes se ha introducido el factor en PNU A075 Con este control de temperatura, si el PC es mayor que la VP, la salida de frecuencia del variador disminuye y baja la velocidad del ventilador introducuiendo menos aire frío y si el PC es menor que la VP, la salida de frecuencia del variador aumenta, subiendo la velocidad del ventilador e introduciendo más aire frío. Es lo que se denomina un PID inverso. Regulador PID A Página 10 de 10