1 Control Cascada

7/22/2019 1 Control Cascada

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CONTROL EN CASCADA



Objetivos y Principio de Funcionamiento

• Mejorar la estabilidad de una variable del procesoaun con una optima sintonización del controlador enlazo retroalimentado.

• Controlar rápidamente las variables intermedias

corrigiendo el efecto de las perturbaciones deentrada antes de que estas afecten a la salida delproceso.

• Es una técnica donde se usa dos sistemas de

medición y control y se manipula un solo elementofinal de control



Estructura de control en cascada

• Esta estructura tiene dos lazos: – Un lazo Primario con un controlador primario (Maestro) K 1(s ), y

– Un lazo Secundario con un controlador secundario (Esclavo) K 2(s )

• El control secundario se diseña para atenuar el efecto de laperturbación antes de que alcance a afectar significativamente lasalida y(t ).

Controlador

Esclavo

Controlador

Maestro



• El control en cascada es una estructura alternativa para

rechazar perturbaciones parcialmente medibles.

• La señal de salida de un regulador se utiliza para obtener laconsigna de otro (Setpoint remoto para el esclavo).

• Cada controlador tiene su propia señal de referencia (SP), perosólo el Maestro tendrá la consigna (SP) independiente (y por tantocontrolable por el operador ).

• El controlador Esclavo elabora la señal de mando del proceso.

Controlador

Esclavo

Controlador

Maestro

SP

Remoto



Ejemplo 1a: Cascada Nivel/Caudal

• La variable Flujo, afecta directamente a la variable Nivel

Controlador

Maestro

Controlador

Esclavo



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Ejemplo 1b: Cascada Nivel/Caudal

El controlador primario (LC) fija la consigna del controlador secundario (FC) el

cual corrige el efecto de las perturbaciones de la presión ps sobre el caudal q

antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito

q

FC

SP1

LT

qi

LC

FT

ps



7

Ejemplo 2: Control de temperatura (enfriamiento)en un reactor

Refrigerante

Refrigerante

alimentación

Producto

TC1TT1 SP1

TT2 TC2

Cualquier cambio en la temperatura del refrigerante será corregido

por el controlador secundario TC2, antes que pueda afectar

significativamente a la temperatura en el reactor



• El primer lazo realimentado está basado en la temperatura delproducto en el intercambiador de calor. Sin embargo, en lugarde posicionar directamente la válvula de vapor, la salida delcontrolador primario es ahora usado para ajustar el punto dereferencia del controlador secundario. Entonces es el segundocontrolador quien regula la válvula.

• El lazo secundario hace la mayoría del trabajo encargándose demantener una temperatura constante del producto. Su mayoracción es minimizar los efectos de los disturbios en el lazosecundario. En contraste, el lazo primario actúa cuando existedisturbios o cambios en la carga dentro del proceso, debido a

esto el SP del controlador secundario necesita estar cambiandopor la acción del controlador primario

Ejemplo 3: Control de Temperatura (calentamiento)en un Intercambiador



Ejemplo 4: Control simple de temperatura debobinado

Control simple

•

Se muestra un esquema de control de temperatura de bobinado en untren de laminación de chapa en caliente. La regulación precisa de estatemperatura es uno de los factores claves que determinan la calidad de lachapa producida.



•

En el esquema simple, la temperatura de bobinado y(t) se controlamediante la regulación del caudal q(t) de agua que alimenta elbanco final de enfriamiento.

• La regulación del caudal q(t) se realiza mediante una válvulaalimentada desde un tanque que suministra el agua deenfriamiento a todo el tren de laminación.

• Una de las dificultades en este sistema de control es que lapresión p(t) de alimentación varía. Esta variación afecta el controlde temperatura, ya que para una misma señal de control u(t), elcaudal de enfriamiento q(t) varía, si varía p(t).

Ejemplo 4: Control simple de temperatura debobinado



Ejemplo 4: Control cascada de temperatura debobinado

Control Cascada

•

Si podemos medir el caudal q(t ), una solución para atenuar el efecto delas variaciones de p(t ) sobre y(t ) es agregar un lazo adicional para

regular q(t ) al valor de referencia qref (t ), generado por el primer

controlador K 1( s).



Ejemplo 3: Control cascada de temperatura debobinado



Análisis de respuesta deestrategias

Feedback vs cascada



1. Control de Lazo Simple: Feedback



Tenemos que analizar el comportamiento del proceso:

a. Efecto de la perturbaciónde P sobre T del producto

b. Las mediciones que sonafectadas cuando ocurre

una perturbación de P




SP1

MV1=SP2

T=PV1

F=PV2

MV2

Una nuevaestructurade control

1. Mejora del Control de Lazo Simple:Cascada



Lazo Simple(Feedback)

Lazo enCascada

PV1

PV1

Con el control en cascada se obtiene un mejor funcionamiento:La temperatura se aleja menos del SP frente a una perturbación

interna (variación de flujo)

SP Temperatura

1. Comparando estrategias de Control:Feedback vs Cascada

Instante en queocurre perturbaciónen el flujo de vapor

Instante en queocurre perturbaciónen el flujo de vapor

SP Temperatura



1. Comportamiento del Control en cascada

La perturbación en el flujo esrápidamente corregido

Instante en que ocurreperturbación en el flujo de vapor



vapor

producto

alimentación

SP1

MV1 =SP2

PV1

PV2

MV2

PERTURBACIÓN CASCADA SIMPLE LAZO

PRESIÓN DEVAPOR X

TEMPERATURA DE ALIMENTACIÓN

FLUJO DE

ALIMENTACIÓN CAMBIO DE SP1


Quien actúa en caso dediversas perturbaciones y/o

variaciones ?



2. Otro ejemplo del Control de Lazo Simple

1. A1 mide la concentración delproducto

2. Un incremento de la temperaturaT3, aumenta la velocidad dereacción



PERTURBACIÓN

2. Otro ejemplo del Control de Lazo Simple

Respuesta no aceptable

PV1

SP1



2. Mejora con el Control en Cascada

Secundario

Primario

OUT2

SP2=OUT1

SP1

PV1

PV2



2. Comparando estrategias de Control:Feedback vs Cascada

Lazo Simple(Feedback)

Lazo en

Cascada




La perturbación en latemperatura es rápidamentecorregida.

El control en cascada permite

compensar la perturbación



Diagramas deInstrumentación y diagramas

de bloques



SP1

TT

TC

q

T

Condensado

pa

Fv

FC

FT

El controlador primario o externo (TC) fija la consigna del controlador

secundario o interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv

antes de que alcancen al intercambiador significativamente

1. Control en cascada: Diagrama P&ID



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SP1

Medición

de flujo

Controlador

primario

Proceso

de

temperatura

pa

Proceso

de vaporControlador

secundario

Medición

de

temperatura

++

+

+

--

Lazo interior

1.Control en cascada: Diagrama de bloques

Lazo externo



30

alimentación

TC1

TT1

PSP

FT2

FC2

Temperatura

del producto

Combustible

PPV

POUT=SSPSOUT

SPV

PLOAD

S L O A D

2. Control en cascada: Diagrama P&ID



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PSP

Transmisor

de flujo

Controladorprimario

Proceso

detemperatura

Perturbación

Proceso

de flujoControladorsecundario

transmisor

de

temperatura

+ +--

Lazo interior

PPV

Temperatura

POUT

Flujo

SPV

SSP

SOUT

Lazo externo

2. Control en cascada: Diagrama de bloques



Consideraciones en el control

en cascada



1. La dinámica del lazo interno debe ser mucho más rápida que ellazo externo. En cualquier caso no hay empeoramiento (haymejora) si la dinámica fuera similar.

2. La frecuencia de oscilación en el lazo secundario debe ser almenos tres veces la frecuencia en el lazo primario, si estos

están bien sintonizados3. Los controladores industriales tienen entradas y modos

específicos para que funcionen como maestros o comoesclavos (master/slave).

Procesos a los que es aplicable



Sintonización del controlador

Sintonización del controlador esclavo:

• Modelo del proceso afectado por este lazo de control (solo unaparte del proceso).

• Al ser un proceso rápido, lo normal es utilizar un PI.(Necesitamos precisión, no más rapidez)

•

Si no es un proceso demasiado rápido deberá sintonizarse conla ganancia más alta posible.

• El controlador esclavo se selecciona con set point remoto,mientras que el controlador maestro es de tipo local.

Sintonización del controlador maestro:• Obtenemos un modelo del conjunto secundario (en automático)

y lo agregamos al modelo del proceso.

• Diseñamos el regulador maestro sobre este sistema equivalente



Las ventajas del control en cascada son varias:1. Las perturbaciones en el lazo interno o secundario soncorregidas por el controlador secundario, antes de que ellaspuedan afectar a la variable primaria.

2. Cualquier variación en la ganancia estática de la parte

secundaria del proceso es compensada por su propio lazo.3. Las constantes de tiempo asociadas al proceso secundario son

reducidas drásticamente por el lazo secundario.

4. El controlador primario recibe ayuda del controlador secundariopara lograr una gran reducción en la variación de la variable

primaria.5. Disminuye el tiempo de respuesta del sistema. Reduce los

efectos de los retardos de tiempo

Ventajas del control en Cascada

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