control selectivo

1Tema 5. Estructuras avanzadas de control

Tema 5. Estructuras Avanzadas de control

ÍNDICE:• Introducción• Estructuras avanzadas de control

Control de relación (ratio)Control selectivoControl con restricciones Control de gama partidaControl anticipativoControl en cascadaControl de procesos con grandes tiempo muertos


CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL REALIMENTADO

VENTAJAS::• Produce acción correctora en cuanto existe error• La acción correctora es independiente de la fuente y tipo de la perturbación• Necesita poco conocimiento del proceso a controlar (un modelo aproximado)• El controlador PID es uno de los controladores de realimentación más versátil y robusto

DESVENTAJAS::• No produce acción correctora hasta que la perturbación se propaga a la variable

controlada• No es capaz de generar una acción preventiva (aunque las perturbaciones sean

conocidas o se puedan medir)• En procesos con grandes tiempo muertos, la dinámica del sistema en bucle cerrado no

suele ser aceptable• En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la realimentación no

puede realizarse

Introducción


A pesar de sus desventajas, la mayoría (> 80%) de lasaplicaciones industriales utilizan bucles de realimentación simplePara las situaciones en las que el control realimentadono resulta satisfactorio, es necesario utilizar otrasestrategias para obtener las prestaciones requeridasA estas estrategias, que se combinan con el bucle de realimentación (no lo sustituyen) se les denominaestructuras avanzadas de control

Introducción


Objetivo: Mantener la relación entre dos variables a un valor predeterminado

Caso particular de control anticipativo, ampliamente utilizado en la industria de procesos

Aplicaciones: Normalmente las variables son caudales. Mezcla de dos corrientes de distinta composición o Tª, para conseguir una mezcla de composición o Tª determinadasRelación aire/combustible en el control de la combustión en un horno o caldera

Control de Relación (Ratio)


Ejemplo:

Mezcla de dos corrientes de procesoNormalmente uno de los caudales sólo se puede medir, no manipular. Se le denomina caudal de referencia

Objetivo: Mantener la relación entre ambos caudales R=B/A

Alternativas

Controlar directamente los dos caudales y ajustar los valores deconsigna a unos valores previamente calculados Medir el caudal de referencia A (no manipulable), multiplicarlo por R, y hacer B=R*A (punto de consigna del controlador de caudal)Medir ambos caudales, calcular la relación entre ellos (ratio real) y ajustar la válvula de producto B



A(t), m3/h

B(t), m3/h

Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso

Objetivo: Mantener un relación constante entre los caudales A y B



A(t), m3/h

B(t), m3/h

FT1

FC1

FT2

FC2

Solución: controlar ambos caudales de forma que los SP cumplan la relación

Problema: suele ocurrir que uno de los dos caudales sólo se puede medir (caudal de referencia)




RAB=

∂∂

A(t), m3/h

B(t), m3/h

FT1

FY1B

FT2

FC2

R*A

SP

Solución A:

• medir el caudal de referencia (A)• SP para FC = R*A

•B=R*A Ganancia constante




AR

AB

AB

−=−=∂∂

2

A(t), m3/h

B(t), m3/h

FT1

FY1B

FT2

RC1

B/A Controladorde relaciónSP (R)

Solución B:

• medir ambos caudales• calcular su relación (B/A)•Controlador PID cuyo SP es el valor de R deseado

•R=B/A Ganancia no lineal




Objetivo: Mantener bajo control (entendido como conseguir que no se superen determinados límites) varias variables de proceso manipulando una sola variable

Varios objetivos de control asociados a un proceso no pueden satisfacerse simultáneamenteNo es posible eliminar la desviación en todas ellas a cambios en la carga o en el punto de consignaEs necesaria alguna estrategia en que las variables controladas puedan compartir variables manipuladas

Control Selectivo

Ejemplo: Proceso en el que se calienta un fluido mediante un horno que sirve como fluido calefactor en un tren de intercambiadores. Localmente se controla la temperatura de cada uno de los pasos.

La temperatura del fluido calefactor se controla regulando la aportación de combustible al horno.


TT1

TC1

TT2

TC2

TT3

TC3

PT1

PC1

TT4

TC1

gases decombustión

Horno

Th

SP

aire fuel

SP

SP

SP

SPMIN

Ejemplo: Sistema calentador

Control Selectivo


TT1

TC1

TT2

TC2

TT3

TC3

PT1

PC1

TT4

TC1

gases decombustión

Horno

Th

SP+bias

aire fuel

SP

SP

SP

SPMIN

TY4 >max

Control SelectivoEjemplo: Sistema calentador


Control con restricciones a la entradaSe superan los límites del actuador (entrada al proceso)

• La variable de control alcanza los límites del actuador• El lazo de realimentación se rompe: el sistema trabaja como en bucle abierto• Consecuencia: transitorios largos y fuertes sobreimpulsos

Windup: Saturación del término integral• Se produce un crecimiento incontrolado del término integral de la señal de control• Se requiere que el error tenga sentido opuesto durante un periodo largo para retornar

al rango de actuación lineal• Estrategia AW (Anti-Windup): Esquema adicional de compensación. No es exclusivo

del PID

Otros métodos de diseño• Basados en técnicas predictivas y teorías de control más avanzadas• Restricciones tomadas en cuenta a priori• Necesidad de modelo


Control con restricciones a la entradaESTRATEGIAS AW: Seguimiento Integral

Kp

Kp/Ti

e

+ 1 / s

+

1/ Tt

uru

+-

Modelo actuador

ew

Tt constante de tiempo de seguimiento

Lazo extra de realimentación para la acción integralObjetivo: pasar a cero la acción integral en un tiempo no nulo y cuyo valor depende de Tr. Tr: constante de tiempo de seguimientoCuanto más pequeña sea Tr, más rápido se resetea el integrador. Los valores aconsejados son Td < Tr < Ti Cuando el actuador no está saturado el lazo extra no produce ningún efecto


Objetivo: protección para que ciertas variables de interés no superen determinados límites (restricciones)Estrategia para procesos en que varios reguladores con objetivos diferentes comparten un mismo actuadorMayor nº de variables controladas que manipuladasLa variable manipulada disponible se usa para controlar la variable de mayor interésPermite cambiar de variable controlada on-line: Varios objetivos de control asociados a un proceso no pueden satisfacerse simultáneamente

CONTROL OVERRIDE

Control con restricciones a la salida


Control overrideEjemplo: Control del caudal de salida y nivel de un depósito

Objetivos:- flujo constante de líquido al proceso - evitar desbordamientos del tanque o que la bomba se descebe

Variables controladas: - caudal de alimentación al proceso- nivel del depósito

Única variable manipulada:- apertura de válvula de salida

h1(t)

h(t)

h2(t)

fe(t)

FT2

FC2

SP

f(t) Proceso


h2(t)

Control overrideEjemplo: Control del caudal de salida y nivel de un depósito

h1(t)

h(t)

fe(t)

FT2

FC2

SP

f(t)

FY1B

LC11

LT11

max (h2)min (h1)

FC2 Controlador de flujoLC11 Controlador de nivelFY1B Selector


Ejemplo: Control del nivel y del caudal del depósito

Control realimentado + overrideFC2: controlador por realimentación

• variable controlada: caudal de salida, f(t)• variable manipulada: apertura de válvula a la salida

LC11: controlador de nivel • Punto de consigna : h1 (valor mínimo permitido para el nivel)• Si el nivel está por encima del mínimo, h(t) > h1(t), el controlador solicita una apertura de válvula del 100 %• Si fe(t) se corta, el nivel puede bajar por debajo del mínimo haciendo que la bomba cavite. Solicita el cierre de la válvula

FY1B: selector de mínimo• Selecciona la apertura mínima solicitada entre FC2 y LC11• En condiciones normales el nivel estará por encima del mínimo, por lo que será FC2 el que gobierna la válvula • Cuando el nivel entra en zona restringida, h(t)< h1, FY1B da prioridad a la señal de LC11, cerrando la válvula para evitar que el tanque se vacíe. Se abandona temporalmente el objetivo de control de f(t)

El transmisor de nivel LT enviará la señal también a otro controlador, que deberá cerrar la válvula de entrada fe(t) si el nivel está por encima del máximo permitido (otro lazo)

Control override


Control de gama partidaTambién denominado control de rango partidoCaso en que un regulador puede manipular dos o más actuadores. Mayor nº de variables manipuladas que controladas

Ejemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B resultante de la reacción. Objetivo: Mantener la presión P del interior del reactor• Variables manipuladas: válvula de entrada de A y válvula de salida de B

Reactor

PT

PT

Selector

A B

SP

V1 V2


Control de gama partidaEjemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B resultante de la reacción

La salida del regulador de presión PC va a un selector que se encarga de distribuir la acción de control entre las dos válvulas V1 y V2La política a seguir está representada en la gráfica:• A presiones bajas, V1 estará abierta al 100% y V2 cerrada.• A altas presiones, V1 estará cerrada y V2 abierta.• A presiones intermedias, la abertura de cada válvula se determina de la

gráfica

0 %

100 %V1 V2

P


Se utiliza cuando las perturbaciones significativas afectan más directamente a la variable de salida que se desea controlarEste tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la salida o de cargaUtiliza la medida de la propia perturbación (o de una variable auxiliar de la que inferir su valor) para actuar antes de que la perturbación se propague a la salidaUn caso particular es el control de proporción o de relación

Gc GpSP PV

+- +

Gc

D

Control Anticipativo


Se utiliza cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable manipulada (en la mayoría de los casos será un caudal de materia o flujo de energía)Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la entradaUtiliza la medida de variables internas (auxiliares) para detectar rápidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción correctoraSe realiza mediante bucles de realimentación anidados

Gc GpSP PV+

Gc

+-

D

Control en Cascada


Control de procesos con grandes retardos

Los tiempos muertos o retardos puros constituyen una parte fundamental de la dinámica de muchos procesos industriales.

Tiempo muerto: es el que transcurre entre el momento en que se produce un cambio en una variable de entrada y el momento en que el efecto de esa variación se observa en la variable de salida.En procesos químicos suele deberse a:

• Tiempo que tarda un fluido o un material en circular de un punto a otro (retardo distancia-velocidad)• Mezcla imperfecta en un equipo tipo tanque agitado• Dónde se coloca el sistema de medida de la variable controlada

La realimentación simple resulta insuficienteCon objetor de preservar su estabilidad los lazos resultan lentos

Alternativa: Algoritmos específicos de compensación de tiempos muertos. Son de

carácter predictivosLa bondad de los métodos predictivos está en la exactitud del modelo

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