Realizado por:

Marielwi Maldonado

Stephanie Abi Saab

Michael Sutherland

María Primera

Alberto Aular

Franvierly Rivas

Punto Fijo, Marzo de 2012

Universidad Nacional Experimental

“Francisco de Miranda”

Complejo Académico El Sabino.

Área de Tecnología.

Programa: Ingeniería Química.

Cátedra: Dinámica y control de Proceso.

Prof.: Eumar Leal.

Control avanzado

Ya que en este proceso se ven involucradas múltiples

variables por estar en presencia de un control avanzado se menciona entonces que existe un control multivariable que se basa en la obtención y aplicación de modelos obtenidos del propio proceso para predecir las salidas a lo largo de un cierto periodo de tiempo. En la industria existen procesos multivariable, como las columnas de destilación, en los que cada variable manipulada afecta a varias controladas, por lo que no se dispone de una estrategia de control única. Por medio del control multivariable predictivo basado en modelos se conduce al proceso a un punto de operación óptimo desde el punto de vista económico a pesar de las perturbaciones, las cuales están contempladas en los modelos obtenidos.Las diferentes técnicas de control pueden ser aplicadas a cualquier tipo de proceso, sabiendo que para el desarrollo de una aplicación es necesario:

Conocer las técnicas de control Conocer el proceso Observar el funcionamiento de la unidad Tener en cuenta la regla básica: La complicación innecesaria lleva

a un peor entendimiento por parte del operador.Entre las técnicas para realizar control avanzado se pueden encontrar las siguientes:

Control feedforward. Control en cascada. Control de relación. Control selectivo.

Cada una de estas técnicas puede apoyarse en diversos cálculos matemáticos para complementar el efecto sobre el elemento final de control, siempre con el objetivo de producir estabilidad en la operación. Es necesario hacer hincapié en que el objeto principal del control avanzado es producir estabilidad en la operación así como lo es la del control por adelanto.Control por adelanto (Feedforward)

Los controladores con realimentación del proceso no tienen en cuenta la influencia de las perturbaciones que se producen y que afectan al lazo de control. Debe existir un error para que se inicie la acción correctiva. Un medio para corregir el efecto de las perturbaciones es el control Feedforward, el cual compensa el efecto de las mismas antes que

produzcan error en la variable controlada. Este sistema está limitado por la exactitud de las medidas, los cálculos efectuados y las perturbaciones no medidas.

En pocas palabras de puede decir que el control Feedforward es una estrategia usada para compensar perturbaciones presentes en un sistema antes de que ellas afecten la variable controlada. En este caso, se mide una variable que pueda afectar la variable controlada, se predice su efecto y se aplica una acción correctiva anticipadamente al mismo.Para lograr la capacidad predictiva del FFC es necesario conocer la relación entre la variable cuyo efecto se desea suprimir y la variable controlada, en lo que constituye un modelo, total o parcial, del proceso tomando en cuenta que la calidad del control del proceso estará en función de la calidad del modelo usado para lograr o llevar a cabo la compensación de las perturbaciones presentes y el comportamiento de otras variables no compensadas puede afectar a la variable controladaEl tiempo de respuesta del FFC debe ser menor que el tiempo muerto entre la presencia de la perturbación en la variable compensada y la manifestación del efecto en la variable controlada. Este tiempo muerto debe ser conocido para sincronizar la salida del controlador.Se pueden considerar múltiples variables como entrada al FFC y compensar el efecto combinado de las perturbaciones en ellas.

Acción de control por realimentación.

El control por realimentación es la filosofía de control más común en la industria. El estado deseado es comparado con el estado actual del proceso y se emite una acción en base a la desviación observada a fin de corregirla.

Teoría del control Feedforward.

Cualquier proceso se puede describir en función de las relaciones existentes entre la salida y dos grupos de entradas: la salida del proceso que es la variable controlada (Ve) o dependiente, y la entrada, conocida a su vez como variable manipulada (Vm) o independiente. Las variables asociadas a la carga son el otro tipo de independientes, conocidas como variables de perturbación (Vp). La figura siguiente muestra un diagrama de bloques en el que aparecen las tres variables descritas. Como puede verse, cada una de las entradas llega al proceso por un lugar diferente,

por lo que afectan de distinta forma a la variable controlada. La ecuación que describe al proceso es:

Vc= Vm * Gm- Vp * Gp

El objeto del sistema de control feedforwardes mantener la variable controlada en un valor de referencia «R» que debe ser igual al valor deseado para la variable controlada. Con estos datos se puede obtener el valor de la variable manipulada a partir de la ecuación anterior.

Si el cálculo de la variable manipulada es correcto, para cualquier valor de la variable de perturbación se mantendrá constante el valor de referencia, es decir, el valor de la variable controlada.

Control por adelanto no lineal.

Para definir y encontrar una definición de esta no linealidad asumiremos que en este tipo de herramienta o técnica (control por adelanto) ya antes conocida existe un sistema con ecuaciones no lineales que definen su comportamiento en el cual se pretende llevar hacia unas condiciones de funcionamiento, si existe la asunción mencionada, entonces podemos decir estamos en presencia de un sistema con retardo el cual representaría para este caso básicamente la no linealidad del mismo.

Los sistemas no lineales con retardo presentes en este tipo de control son aquellos capaces de generar un problema de la estabilización global de sistemas feedforward con un retardo en la entrada por retroalimentación, este se puede estabilizar usando una metodología

para ello, la metodología establecida en Mazenc et al. Predice que por medio de una retroalimentación acotada, una cadena de n integradores con un retardo arbitrario en la entrada donde el sistema original es sometido a una serie de transformaciones sucesivas en el cual por medio de simulaciones (tomando en cuenta las leyes de control avanzado de procesos) podemos identificar las perturbaciones presentes y además, observar que es una herramienta que estabiliza un modelo del prototipo.

Aplicación a un intercambiador de calor. (Ejemplo)

En el intercambiador de calor presente en el diagrama de flujo de procesoque incluye un control feedforward se muestra que, la temperatura de salida es la variable controlada, el caudal de producto y su temperatura de entrada son variables de perturbación, mientras que el caudal de vapor es la variable manipulada.

Aplicando un balance de energía se obtiene el modelo en estado estacionario del proceso de intercambio de calor.

Hs*Fs=Fp*Cp* (Ts - Te)

Dónde: Hs = Entalpia del vapor (kcal/kg)Fs = Caudal de vapor (kg/h)Fp = Caudal de producto (kg/h)Cp = Calor específico del producto (kcal/kg °C)Ts = Temperatura de salida (°C)

Te = Temperatura de entrada (°C)En este ejemplo la referencia es la temperatura de salida deseada. Si no existieran otras perturbaciones se podría fijar el caudal de vapor necesario para mantener esta temperatura. El cálculo anterior se basa en el modelo en estado estacionario, en el cual no se contemplan las diferentes dinámicas que afectan a las variables en función de su propia naturaleza y el lugar donde se encuentran situadas en el proceso. Para llevar a cabo la compensación dinámica es necesario introducir una función de tiempo lead/lagen las variables de perturbación, de forma que el sistema de control pasa a ser el de la

La compensación dinámica hace coincidir en el tiempo las variables para que no se produzca desviación entre el valor real de la variable controlada y el valor deseado como referencia.

Reajuste por medio de feedback.

Existen influencias externas que producen errores en el cálculo. Como consecuencia la temperatura de salida puede sufrir deriva, produciendo un error permanente.Entre las influencias externas se pueden citar:

Cambio en la presión del vapor, haciendo que se modifique su entalpia.

Cambio en las condiciones ambientales, noche y día, invierno y verano, etc.

Ensuciamiento en los tubos del cambiador.

Todo esto hace que sea necesario recurrir a un procedimiento que sea capaz de mantener la variable controlada en su valor de referencia. Este procedimiento es el control feedback.

La figura siguiente muestra el sistema de control anterior incluyendo un controlador de temperatura en la línea de salida de producto, el cual actúa como reajuste o feedback. Este controlador mantendrá la temperatura en el valor de referencia deseado, corrigiendo los desequilibrios producidos por las perturbaciones no medidas y los errores de cálculo.

Entonamiento de Controladores por Adelanto

Ziegler y Nichols desarrollaron métodos de entonamiento de controladores PID en los primeros años de la década de los cuarenta basados en pruebas de lazo abierto (menos conocidas que por ejemplo las fórmulas de Cohen Coon) y también en pruebas de lazo cerrado, el cual pudo ser su mayor logro conocido.

El método de lazo abierto permite calcular los parámetros PID, partiendo de los parámetros del proceso. El procedimiento:

Se hace una prueba de la planta en lazo abierto Se determinan los parámetros del proceso: ganancia del proceso, tiempo muerto, constante de tiempo (véase abajo, dibuje una tangente a través del punto de inflexión y mida L y T como se muestra, por cierto en la actualidad existen mejores y más fáciles métodos) Calculamos los parámetros de acuerdo a las siguientes formulas: K = constante de tiempo / (ganancia del proceso * tiempo muerto) PI: Ganancia proporcional PID: ganancia proporcional derivativoOP: Salida del controlador.

Para cada uno de estos sistemas el programa facilita el diagrama de bloques de un sistema preconfigurado y totalmente operativo (con valores por defecto), ya que no precisa de configuración previa.

El usuario puede configurar y modificar el sistema, de manera muy sencilla (sobre el diagrama de bloques), asignando distintos tipos de componentes de proceso y de instrumentación a cada uno de los bloques que forman el sistema y configurando los parámetrosque caracterizan a cada componente.

Comparación con control por realimentación.

Control Anticipativo o por Adelanto.

Como conclusión, se puede afirmar que el control de realimentación puede controlar bien en régimen permanente, pero no lo hace suficientemente en condiciones dinámicas de funcionamiento del proceso. En cambio, el control anticipativo es capaz de regir rápidamente los cambios dinámicos, pero presenta un offset considerable a la salida.

Principales aplicaciones.

En procesos difíciles de controlar por realimentación debido a la presencia de tiempo muerto y retardos considerables.

En procesos que reciben flujos no controlados provenientes de otras partes de la planta y que pueden afectar a la variable controlada.

Procesos en el que la variable controlada no puede medirse con precisión o de modo continuo.

Procesos en el que la variable controlada no es fija y viene determinada por otras variables.

Diseño del controlador anticipativo.

Recordando que los diagramas de bloques son las representaciones gráficas del funcionamiento interno de un sistema, que se hace mediante bloques podemos decir que en la figura siguiente se ven involucradas las siguientes variables y consideraciones: controladores, válvula de control, transmisores de medida; bloques de proceso, de perturbación y de compensación.

Considérese el diagrama de bloques del control anticipativo. Se supone que la función de transferencia de la planta Gp(s) y la función de transferencia de la perturbación Gn(s) son conocidas:

Dónde:

Gn(s): Función de transferencia de la perturbaciónGp(s): Función de transferencia de la plantaGv(s): Función de transferencia de la válvulaHff(s): Función de transferencia del elemento detector primario y deltransmisor del lazo anticipativoGcff(s): Función de la unidad de cómputo del control anticipativo

Del diagrama de bloques:

C(s) = Gcff.Gv.Gp.E(s) + Gn.N(s)

Ventajas del control anticipativo o por adelanto:

Detecta las variables perturbadoras y toma la acción correctiva antes de que la variable controlada se desvíe de su punto de referencia.

Útil para procesos con tiempo muerto y de respuesta dinámica muy lenta.

Mejora de rendimientos en productos de mayor valor añadido. Ahorro de energía. Incremento de la capacidad de producción.

Desventajas del controlador anticipado o por adelanto:

Requiere medir todas las variables perturbadoras. Requiere conocimiento exacto del proceso. El modelo puede resultar físicamente irrealizable. (Si el polinomio

del numerador de la función de transferencia del controlador es de mayor grado que el polinomio del denominador)

No corrige perturbaciones no medidas. Es insensible a variaciones en los parámetros de los elementos del

lazo de control.

Control anticipativo + realimentado.

En este caso si el caudal es constante la señal procedente del controlador de temperatura pasa sin cambios hacia la válvula. En cambio sí se presentan variaciones en el caudal, la señal proveniente del controlador FeedForward correspondiente se suma o se resta, según el sentido de variación en la temperatura.

De este modo, los cambios de carga en el caudal del producto son detectados y corregidos inmediatamente y compensan los cambios anticipados, que por esta causa, pudiesen producirse en la temperatura.

Diagrama de bloques del control anticipativo + realimentado.

De acuerdo con el diagrama de bloques, se puede demostrar que la función de transferencia del controlador Feedforward sigue siendo:

Control por adelanto no lineal.

Si estamos hablando de control por adelanto o predictivo seguimos hablando de un control Feedforward. Para definir y encontrar una definición de esta no linealidad asumiremos que en este tipo de herramienta o técnica (control por adelanto) ya antes conocida existe un sistema con ecuaciones no lineales que definen su comportamiento en el cual se pretende llevar hacia unas condiciones de funcionamiento, si existe la asunción mencionada, entonces podemos decir estamos en presencia de un sistema con retardo el cual representaría para este caso básicamente la no linealidad del mismo.

Los sistemas no lineales con retardo presentes en este tipo de control son aquellos capaces de generar un problema de la estabilización global de sistemas feedforward con un retardo en la entrada por retroalimentación, este se puede estabilizar usando una metodología para ello, la metodología establecida en Mazenc et al. Predice que por

medio de una retroalimentación acotada, una cadena de n integradores con un retardo arbitrario en la entrada donde el sistema original es sometido a una serie de transformaciones sucesivas en el cual por medio de simulaciones (tomando en cuenta las leyes de control avanzado de procesos) podemos identificar las perturbaciones presentes y además, observar que es una herramienta que estabiliza un modelo del prototipo.