Estrategias Avanzadas de Control I

ESTRATEGIAS AVANZADAS DE CONTROL

CONTROL FEED FORWARD

En un control realimentado cada vez que entran al proceso diferentes

perturbaciones, la variable controlada se desvía del set point; en el sistema de

control por retroalimentación esto se compensa mediante la manipulación de

otra entrada al proceso, la variable manipulada. La principal desventaja de los

sistemas de control por retroalimentación es que, para compensar la entrada de

perturbaciones, la variable controlada se debe desviar del set point. En el

control por retroalimentación se actúa sobre un error entre el punto de control y

la variable controlada, lo cual significa que, una vez que un disturbio entra al

proceso, se debe propagar a lo largo de todo el proceso y forzar a que la

variable controlada se desvíe del punto de control antes de que se emprenda

una acci6n correctiva para compensar la perturbación.

Entonces, el control perfecto, que se define como aquel donde no hay ninguna

desviación de la variable controlada respecto al punto de referencia a pesar de

que existan disturbios, no se puede lograr con el control por retroalimentación.



Controlador

Proceso Variable

Manipulada

Disturbio

Proceso

)(sd

)(sY



En muchos procesos se puede tolerar una desviación temporal de la variable

controlada, sin embargo, existen otros en los que dicha desviación se debe

minimizar en tal cantidad que con el solo control por retroalimentación no se

puede obtener el desempeño de control requerido. Para estos casos puede ser

muy útil el control por acción precalculada.

En el control por acción precalculada las perturbaciones se compensan antes

de que se afecte a la variable controlada. Específicamente, en este tipo de

control se miden los disturbios antes de que entren al proceso y se calcula el

valor que se requiere de la variable manipulada para mantener la variable

controlada en el valor que se desea o punto de control. Si los cálculos se

realizan de manera correcta, la variable controlada debe permanecer sin

perturbaciones. En la figura anterior se ilustra el concepto de control por

acción precalculada.



+ +

)(sm

Proceso

pG

dG

)(sd

y

Gp: Función de transferencia que

relaciona la salida del proceso con

la variable manipulada.

Gd: Función de transferencia que

relaciona la salida del proceso con

la variable perturbadora



Elemento Set Point

+ -

+ +

)(sYSP

)(sm

d

SPG

G1

p

dC

G

GG

Proceso

pG

dG

d )(sd

Controlador

Feed-Forward

y



En este proceso se mezclan flujos diferentes en un sistema de

tres tanques; en el tanque 1 se mezclan los flujos q5(t) y q1(t);

el desborde de este tanque pasa al tanque 2, donde se mezcla

con el flujo q2(t), y el desborde del tanque 2 fluye al tanque 3,

donde se mezcla con el flujo q7(t).

En este proceso se requiere controlar la fracción de masa (fm)

del componente A, x6(t), en el flujo que sale del tanque 3. En

este proceso la variable manipulada es el caudal q1(t); el flujo y

las fracciones de masa de todas las otras corrientes son posibles

perturbaciones.



Se debe desarrollar un modelo matemático de estado

estacionario del proceso; dicho modelo es una ecuación

mediante la cual se relaciona la variable manipulada con la

variable controlada y las perturbaciones. En este ejemplo, la

variable manipulada es la corriente q1(t), la variable controlada

es X6(t), y se supone que q2(t) es el disturbio mayor.

ESTRATEGIAS AVANZADAS DE CONTROL CONTROL FEED FORWARD



Los dos esquemas anteriores corresponden a controladores

anticipativos en lazo abierto, es decir, la variable controlada no

se mide para manipularla. Solo se registra. Este tipo de

controlador solo presenta una adecuada corrección del disturbio

pero no se justifica su utilización en la práctica sin el control

realimentado.

Buena parte de la robustez de un lazo de control depende de la

sensibilidad frente a perturbaciones y el control Feed Forward

cuando se usa en compañía del control realimentado mejora el

desempeño dinámico y estático del proceso frente a

perturbaciones.



De la estructura del lazo de control Feed Forward podemos

distinguir:

El lazo del control Feed Forward contiene todas las

características externas de un lazo de control. Es decir, tiene

una medición primaria, en este caso de la perturbación, y si

se detecta un disturbio se ajusta la variable manipulada para

mantener la variable controlada en el punto de ajuste.

El desempeño del controlador Feed Forward depende del

buen conocimiento de la planta y del modelo del disturbio.

Un control perfecto necesita un conocimiento perfecto de Gd

y Gp.



Las funciones de transferencia Gd y Gp se pueden obtener

por los métodos estudiados, teniendo en cuenta aplicar el

principio de la superposición para encontrar las relaciones

salida entrada.



Un proceso interesante en el que se utilizan las técnicas de

control que se aprendieron hasta .aquí es el control de nivel de

liquido en una caldera de tambor. En la figura se muestra

esquemáticamente una caldera de tambor. El control de nivel en

el tambor es muy importante, ya que con un nivel alto puede

entrar agua, y tal vez impurezas, en el sistema de vapor; si el

nivel es bajo puede haber fallas en el recipiente por

sobrecalentamiento, a causa de la falta de agua en las superficies

de ebullición.


En la figura se muestran las burbujas de vapor que fluyen hacia arriba, a

través del agua, lo cual representa un efecto importante, ya que el volumen

específico (volumen/masa) de las burbujas es muy grande y, por lo tanto,

estas burbujas desplazan al agua; de lo anterior resulta un nivel aparente más

alto que el que se debe únicamente al agua. La presencia de estas burbujas

también representa un problema bajo condiciones transitorias.

Si se considera la situación en que, a causa del incremento de demanda de

vapor por parte de los usuarios, cae la presión del vapor en la parte superior;

como consecuencia de tal condición, una cierta cantidad de agua se convierte

rápidamente en burbujas de vapor, con las cuales se tiende a incrementar el

nivel aparente en el tambor; ,con la caída de presión también se produce una

expansión en el volumen de las burbujas existentes y, debido a esto, se

incrementa aún más el nivel aparente; dicha elevación de nivel, que resulta

de una disminución en la presión, se denomina expansión. Con un

incremento de presión en el vapor superficial, debido a una disminución en la

demanda por parte de los usuarios, se tiene el efecto opuesto sobre el nivel

aparente, a lo cual se le denomina contracción.



Como se explicó anteriormente, el fenómeno de contracción

expansión, en combinación con la importancia de mantener un

buen nivel, provoca que el control del nivel sea aún más crítico.

El control de nivel en el tambor se logra mediante la

manipulación del flujo en el alimentador de agua. En la figura se

muestra el tipo más simple de control de nivel, el cual se conoce

como “control de un solo elemento”, en el cual se utiliza un

sensor transmisor de presión diferencial estándar. Este esquema

de control se basa en la medición de nivel del tambor y, por lo

tanto, ésta debe ser confiable. Bajo transitorios prolongados, el

fenómeno de expansión contracción provoca que no se pueda

tener mediciones confiables y, en consecuencia, se requiere un

esquema de control donde se compense tal fenómeno.



El nuevo esquema de control se denomina “control de dos

elementos”, y se ilustra en la anterior figura; es esencialmente

un sistema de control por acción precalculada y

retroalimentación.

La idea en que se funda este esquema es que la principal razón

para qué cambie el nivel son los cambios en el flujo de vapor,

y que por cada libra de vapor que se produzca entre una libra

de agua al tambor, es decir, debe existir un balance de masa.

Con la señal de salida de FY 101A se obtiene la parte de

acción precalculada del esquema; mientras que con LIC101 se

obtiene la compensación de cualquier flujo no medido, tal

como el colapso. .



El esquema de “control de dos elementos” funciona

completamente bien en muchas de las calderas industriales de

tambor, sin embargo; existen algunos sistemas donde la caída

de presión a través de la válvula de alimentación de agua es

variable; con el esquema de “control de dos elementos” no se-

compensa directamente tal perturbación y, en consecuencia,

ésta trastorna el balance del control de nivel del tambor al

modificar momentáneamente la masa. Con el-esquema de

“control de tres elementos” que se ilustra en la figura

siguiente se logra la compensación requerida; en este esquema

se tiene un control estricto del balance de masa durante los

transitorios. Es interesante notar que todo lo que se añadió al

esquema de “control de dos elementos” es un sistema de

control en cascada.

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