3. ESTRATEGIAS DE CONTROL AVANZADOLa importancia del control de realimentacin (feedback), tiene una serie de ventajas como: No es necesario tener conocimiento a priori de la dinmica del proceso. Se produce accin correctora ante cualquier perturbacin que afecte a la variable controlada. El control PID es un sistema muy robusto. Para que aparezcan inestabilidades han de producirse cambios importantes en la dinmica del proceso. El control feedback tambin tiene una serie de desventajas, entre las que se pueden citar: Slo se produce cuando la variable controlada se ha desviado de su punto de ajuste. Por tanto, es imposible evitar el error en la variable controlada. El controlador no puede adelantarse a las perturbaciones aunque stas puedan ser conocidas y medidas. El comportamiento no suele ser aceptable en proceso con grandes retardos puros.Por todo ello, existen una serie de tcnicas de control avanzado que mejoran el comportamiento del control bsico. En realidad, el trmino control avanzado no tiene una demarcacin clara. Se puede definir como un conjunto de tcnicas y herramientas que permiten adaptarse a las condiciones cambiantes del proceso. Entre las tcnicas para realizar control avanzado se pueden encontrar las siguientes: Control feedforward Control en cascada Control de relacin Control selectivo Control predictivo Control anti-wind-up Control multivariable Control por sobre posicinCada una de estas tcnicas puede apoyarse en diversos clculos matemticos para complementar el efecto sobre el elemento final de control, siempre con el objetivo de producir estabilidad en la operacin. En necesario hacer hincapi en que el objeto principal del control avanzado es producir estabilidad en la operacin. Como consecuencia de la estabilidad de las unidades de proceso, obteniendo: Mejora de rendimiento en productos de mayor valor aadido. Ahorro de energa. Incremento de la capacidad de produccin.3.1. CONTROL EN ADELANTO (FEEDFORWARD)Los controladores con realimentacin 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 accin 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 est limitado por la exactitud de las medidas, los clculos efectuados y las perturbaciones no medidas.Ventajas del control en adelanto Acta antes de que la perturbacin haya afectado al sistema Adecuado para sistemas lentos con grandes retrasos de transporte No introduce inestabilidad en la respuestaInconvenientes del control en adelanto Requiere de la total identificacin de todas las perturbaciones que afectan al sistema No puede anular las perturbaciones no medidas Es sensible a variaciones en los parmetros del proceso Requiere de un conocimiento exacto del modelo del proceso

3.1.1. Teora del control feedforwardCualquier proceso se puede describir en funcin de las relaciones existentes entre las salidas y dos grupos de entradas: la salida del proceso que es la variable controlada (Vc) 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 perturbacin (Vp). La figura 3.1 muestra un diagrama de bloques como variables en el que aparecen las tres variables descritas. Como puede verse, cada una de las entradas llega al proceso pon un lugar diferente, por lo que afectan de distinta forma a la variable controlada. La ecuacin que describe al proceso es:

Donde Gm y Gp son las funciones de transferencia.

Figura 3. 1 Diagrama en bloques del control feedforwardEl objeto del sistema de control feedforward es 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 ecuacin anterior.

Si el clculo de la variable manipulada es correcto, para cualquier valor de la variable de perturbacin se mantendr constante el valor de referencia, es decir, el valor de la variable controlada.En el cambiador de la Figura 3.2, la temperatura de salida es la variable controlada, el caudal de producto y su temperatura de entrada son variable de perturbacin, mientras que el caudal de vapor es la variable manipulada.

Figura 3. 2Diagrama de un intercambiador de calorAplicando un balance de energa se obtiene el modelo en estado estacionario del proceso de intercambio de calor.

Dnde: Hs = Entalpa del vapor (kcal/kg) Fs = Caudal de vapor (kg/h)Fp = Caudal de producto (Kg/h) Cp = Calor especfico del producto (kcal/kg C) Ts = Temperatura de salida (C) Te = Temperatura de entrada (C)En este ejemplo la regencia es la temperatura de salida deseada. Si no existieran otras perturbaciones se podra fijar el caudal de vapor necesario para mantener esta temperatura.

El clculo anterior se basa en el modelo en estado estacionario, en el cual no se contemplan las diferentes dinmicas que afectan a las variables en funcin de su propia naturaleza y el lugar donde se encuentran situadas en el proceso. Para llevar a cabo la compensacin dinmica es necesario introducir una funcin de tiempo lead/lag en las variables de perturbacin, de forma que el sistema de control pasa a ser el de la Figura 3.3. La compensacin dinmica hace coincidir en el tiempo las variables para que nos e produzca desviacin entre el valor real de la variable controlada y el valor deseado como referencia.

Figura 3. 3Diagrama de un intercambiador de calor con compensacin dinmica

Se usa cuando la perturbacin que afecta al proceso puede medirse pero no controlarse. El objetivo es compensar la perturbacin antes de que sta llegue a afectar a la variable controlada. Para ello, apenas se produce la perturbacin, debe comenzarse a actuar sobre la variable manipulada de modo que el efecto de esta actuacin compense el efecto de la perturbacin y la salida del sistema no sufra cambios.

Figura 3. 4 Diagrama en bloques de un sistema con compensador feedforward

3.1.2. Diseo del compensador No puede implementarse si las perturbaciones no pueden medirse. Cuando se pueden medir las perturbaciones, el esquema requiere un modelado perfecto para alcanzar los objetivos. An en el caso de poseer un modelado perfecto del proceso, el controlador feedforward involucra en su construccin a la inversa de GP, pudiendo presentar algunos problemas: Si GP contiene un retardo puro, entonces su inversa tendr un trmino , implicando que la implementacin de GC en tiempo real requerir de una prediccin, lo cual no resulta realizable con instrumentacin analgica. Si GP y GU poseen retardos, y el tiempo asociado con la funcin GU es menor que el de GP, entonces GFF contendr un trmino donde >0, y nuevamente se llega al mismo inconveniente que en el anterior.Con estas dos ltimas consideraciones, el controlador era fsicamente irrealizable, porque requera el conocimiento de los valores que r y u asumirn en el futuro. Esto es, por supuesto, imposible de predecir en forma exacta. Con los actuales sistemas basados en computadoras es posible realizarlo.El control feedforward provee un poderoso esquema de control, especialmente para el rechazo de perturbaciones. En ciertos procesos, el modelado es imperfecto y/o la construccin de GFF es demasiado complicada. Entonces, se utiliza la unidad conocida como adelanto-atraso (lead/lag), que provee un razonable desempeo como controlador feedforward para casos sencillos.

Compensador lead/lag con retardo

Entonces:

El primer trmino representa la ganancia del compensador feedforward. El segundo trmino es el compensador dinmico, conocido como unidad de adelanto/atraso o lead/lag. El tercer trmino se puede considerar como un compensador de retardo puro. Si y sean aproximadamente iguales, esta ecuacin se transforma en un lead/lag puro. Ajustando KFF y las constantes de tiempo, es posible obtener una aceptable aproximacin del controlador feedforward exacto.

Respuesta ante salto escaln unitario para KFF=1

Figura 3. 5Respuesta de la unidad retardo/adelanto a un cambio escaln en la funcin de forzamiento.

Existen dos casos de control anticipativo: Control anticipativo esttico Control anticipativo dinmico.En ambos casos es necesario identificar cual son las posibles perturbaciones y cul es el objetivo del sistema de control.

3.1.2.1. Control anticipativo estticoObjetivo de control. El valor de la variable controlada y el del punto de consigna deben coincidir en el nuevo estado estacionario.Esta estrategia de control no produce control perfecto.Procedimiento: Se obtiene un modelo del proceso que relacione a la variable a controlar con las variables manipuladas y perturbaciones se introduce el objetivo de control en el modelo en forma de ecuacin se despeja la ley de control y se aplica a nuestro sistemaEjemplo:

Modelo del proceso asumiendo: Salida por rebosadero caudal de afluente constantePerturbacin: TiObjetivo: mantener la temperatura de salida T en el valor T=TRVariable manipulada: cantidad de calor a intercambiar Q

Balance de energa en estado estacionario

Objetivo del control anticipativo

Ecuacin del controlador

Figura 3. 6Control anticipativo en estado esttico

3.1.2.2. Control anticipativo dinmicoObjetivo de control. Se pretenden que en todo momento la variable de control este en el valor correspondiente a la seal de consigna.Esta estrategia de control puede producir un control perfecto si el modelo del sistema considera todas las posibles perturbacionesEjemplo

Modelo del proceso asumiendo: Salida por rebosadero caudal de afluente constante

Modelo del proceso

Modelo del proceso en variables de desviacin

Modelo del proceso en el dominio de Laplace

Objetivo de control

Control que se debe asumir fsicamente para conseguir control dinmico anticipativo

Figura 3. 7Controlador anticipativo dinmico

Figura 3. 8Cambios en las perturbaciones

Figura 3. 9Cambios en el set point

3.1.3. Ejemplo de un procesoSe considera la simulacin del proceso de la figura 3.10. En este proceso se mezclan flujos diferentes en un sistema de tres tanques; el tanque 1 se mezclan las corrientes q5(t) y q1(t); el desborde de este tanque pasa al tanque 2, donde se mezcla con la corriente q2(t), y el desborde del tanque 2 fluye al tanque 3, donde se mezcla con la corriente q7(t). En este proceso se requiere controlar la masa (fm) del componente A, x6(t), en la corriente que sale del tanque 3. En este proceso la variable manipulada es el caudal q1(t); el flujo y ls fracciones de masa de todas las otras corriente son posibles perturbaciones. En la tabla 3.1 se presentan los datos del proceso y los valores de estado estacionario de todas las variables. En la figura 3.11 se muestra la respuesta de la variable controlada a un cambio en la corriente q2(t) de 1000 gpm a 1500 gpm; se utiliza un controlador por retroalimentacin PI. Se considera que en este proceso la mayor perturbacin es q2(t). Ahora se ver cmo utilizar las tcnicas de accin pre calculada para mejorar este control y minimizar la desviacin de x6(t).s

BIBLIOGRAFIAhttp://www.academia.edu/7247488/299018-SISTEMAS_AVANZADOS_DE_CONTROLhttps://sites.google.com/site/picuino/feedforward_controlhttp://www.ing.unlp.edu.ar/cys/pdf/matlab2.pdfhttp://electronika14.blogspot.com/2010/12/control-prealimentado-feedforward.html