Estrategias de Control[1]

PROGRAMA DE CAPACITACIÓN CONTÍNUA

Oscar W. Rodríguez R.

21/02/09

SESIÓN 04

ESTRATEGIAS DE CONTROL

21/02/09

Sesión 04 :Estrategias de Control

A. Control en cascada

B. Control de razón

C. Control prealimentado

D. Control de rango partido

E. Control selector

21/02/09

- El Sistema de Control en Cascada utiliza dos controladores feedback.- Solo uno de ellos, denominado secundario o esclavo, tiene salida al proceso (en el ejemplo el caudal).- El denominado master o primario, se utiliza para fijar el punto de consigna del secundario ( Control de Nivel).- La variable a controlar es medida por el controlador primario, mientras que la medida de caudal del

secundario es una variable intermedia.

NOTA :

En un Sistema de Control en Cascada, la dinámica del lazo secundario debe ser siempre más rápida que del primario, caso contrario no es posible que funcionecorrectamente.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

Control en Cascada

LC

SP

FC

PI

Salida del Producto

FT

LT

21/02/09

Fig. 01 Control en cascada para Nivel.

Diagrama de Bloque de un Sistema de Control en Cascada

Si la perturbación ocurre en el lazo interior (caudal), el controlador secundario inicia la acción correctiva antes que se traslade al lazo de control exterior (nivel)

Si la perturbación ocurre en el lazo exterior (nivel), el comportamiento de la cascada hace que se modifique el punto de consigna del lazo interior. En este caso el conjunto se comporta prácticamente como si fuera un solo control feedback.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

21/02/09

Fig. 02 Diagrama de Bloque de un Siste de control en Cascada.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

Control en Cascada

El control en Cascada realiza dos funciones importantes:

- Reduce el efecto de los cambios de carga cerca de su fuente.

- Mejora el control reduciendo el efecto de los retardos de tiempo (aplicaciones de temperatura y analíticas con retardos de tiempogeneralmente largos).

21/02/09

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

Sintonía

Para la configuración de un sistema en casacada se debe dener en cuenta lo siguiente:

21/02/09

- Colocar el controlador del lazo interno secundario en manual y sintonizarlo por cualquier procedimiento estudiado, luego colocar el controlador automático.

- Sintonizar el lazo primario y colocar el controlador en automático.4.

A.

Con

trol

en

casc

ada

Control en Cascada: Nivel a la Salida del Tanque

LC

SP

FC

PIFT

LT

)(tQs

)(tQe

21/02/09

Fig. 03 Control en cascada para Nivel, con válvula de control a la salida del tanque.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

aControl en Cascada: Nivel a la Salida del Tanque

-+ )(sGvFCLC Flujooc.Pr Deposito

)(sGe

)(sH)(sr

)(sGFT

)(sGLT

+-

)(sQs

)(sPs

21/02/09

Fig. 04 Diagrama de Bloque, con válvula de control a la salida del tanque.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

Control en Cascada: Nivel a la Entrada del Tanque

)(tQs

)(tQe

LTLC

FCFT

)(tH

21/02/09

Fig. 05 Control en cascada para Nivel, con válvula de control a la entrada del tanque.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

-+ )(sGvFCLC Flujooc.Pr Deposito

)(sQs

)(sH)(sr

)(sGFT

)(sGLT

+-

)(sQe

)(sPe

Control en Cascada: Nivel a la Entrada del Tanque

21/02/09

Fig. 06 Diagrama de Floque, con válvula de control a la salida del tanque.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

Control en Cascada: Presión en Tanque

C

)(tPT

TP1PvPΔ

PC

FT

FC

)(tr

)(tQe )(tQs

PT

)(tu)(tPs)(tRq

21/02/09

Fig. 07 Control en cascada: Presión

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

aControl en Cascada: Presión en Tanque

-+ )(sGvFCPC Flujooc.Pr Tanque

)(sQs

)(sP)(sr

)(sGFT

)(sGPT

+-

)(sQe

)(sPe

21/02/09

Fig. 08 Diagrama de bloques, Sistema de Control de Presión.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

Control en Cascada: Temperatura

F

T

medio controlado

Salida

TC101

FV101

Fcombustible

TT101

FT102

FC102

21/02/09

Fig. 09 Control en cascada: Temperatura.

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

Control en Cascada: Temperatura

¿ Cómo es el diagrama de bloques para el sistema de control de temperatura con Control en Cascada?

21/02/09

Aplicaciones : Torre de Destilación

4.A

. C

ontr

ol e

n ca

scad

a

21/02/09

Fig. 10 Diagrama P&ID de la torre o columna de Destilación.

Aplicaciones : Intercambiador de Calor4.

A.

Con

trol

en

casc

ada

21/02/09

Fig. 11 Control en cascada: Diagrama P&ID, Intercambiador de Calor.






E. Control selector

21/02/09

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Control de razón

Como su nombre lo indica, éste control mantiene una razón o relación fija entre dos variables.

La aplicación más común es la de mantener una relación fija entre dos flujos (entiéndase por flujo a cualquier forma de transferencia de masa o de razón).

21/02/09

Las aplicaciones mas comunes son:

- Mezclado de dos o más componentes (pintura).

- Control de aire-combustible, para un proceso de combustión (generadores de Vapor).

- Control de flujo de un producto en función a la velocidad de alimentación, como una forma de control de composición (torres de destilación). 4.

B.

Con

trol

de

Raz

ón

Control de razón

El esquema predominante es una razón ajustable entre la variable primaria o no controlada y el índice de control de la variable secundarias o controlada.

21/02/09

La variable NO controlada (primario) es medida, la variable controlada (secundario) está en función de la variable primaria.

)( ps QfQ =

prs QBQ *=Donde:

=rB Razón o relación entre la Variable primaria y secundaria

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Control de razón

Nota:

21/02/09

-La variable primaria no siempre es NO controlada, pues aveces puede ser parte del control de otra variable.

-Se debe verificar que ambas mediciones (variable primaria y secundaria) estén en las mismas unidades (metros por segundo, litros por minuto, etc.)

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Aplicación : Generador de Vapor (combustible/aire)

21/02/09

rC

Ai

KGG 1=

Ai

C

Ai

Cr G

GQQK ==

rK1

HORNO

CFT

RB

AiFC AiFT

)(tu

CG

AiG

Controlador de Presión de Vapor

VTF

CG

AiG

Fig. 12 Control de Razón: Generador de Vapor (combustible/aire).

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

21/02/09

Ventajas:

-Si falla la regulación del flujo de combustible, automáticamente se interrumpe el flujo de combustible o aire.

Desventajas:

-No aumentan o disminuyen simultáneamente el flujo de aire o combustible.

-Necesitan medir al menos un flujo, por lo que es costoso.

-Si cambia la composición o preparación del combustible, no responde de forma adecuada.

Aplicación : Generador de Vapor (combustible/aire)

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Aplicación : Generadores de Vapor (aire/combustible)

21/02/09

¿Cómo sería el sistema de control de razón “aire/combustible” para el horno de un generador de vapor?

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Aplicación : Generadores de Vapor (aire/combustible)

21/02/09

HORNO

AiFT

RB

CFC CFT

)(tu

AiG

CG

)(tuP

VTF

Fig. 13 Control de Razón: Generador de Vapor (aire/combustible).

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Aplicación : Generadores de Vapor (Gaso-analizador)

21/02/09

Gaso - Analizador:

- Sensor que analiza los gases efluentes de la combustión (humo que sale del horno en dirección a la chimenea).

- Analiza el CO, CO2, Nox, Sox, T.

- Costoso

- Mejora la eficiencia en el uso del combustible.

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Aplicación : Generadores de Vapor (Gaso-analizador)

21/02/09

HORNO

CFT

RB

AiFC AiFT

)(tu

CG

AiG

Controlador de Presión de Vapor

gG

GA

CC

2OR

Fig. 14 Control de Razón: Generador de Vapor (Gaso-analizador).

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Aplicación : Reactor Químico

21/02/09

Fig. 15 Control de Razón: Reactor Químico.

4.B

. C

ontr

ol d

e R

azón

Aplicación : Mezcla caudal parcial caudal total

21/02/09

Fig. 16 Control de Razón:Mezcla caudal parcial caudal total.






E. Control selector

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4.C

. C

ontr

ol P

real

imen

tado

(fee

dfor

war

d)

Control Prealimentaco (feedforward)

- Es un sistema de control en la cual, la acción de control en un proceso, se realiza antes de que ocurra la desviación en la variable controlada.

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- La diferencia con el control realimentado, es que éste último actúa su senal de control sólo después de sensarse una desviación con respecto al set point (error).

- El controlador feedforward, previene la desviación con el set point, para ello mide las variables que causan cambios de carga en el proceso y manipulando aquellas variables que cancelan los efectos de cambio de carga antes de que aparezcan las perturbaciones.

4.C

. C

ontr

ol P

real

imen

tado

(fee

dfor

war

d)

Control Prealimentaco (feedforward)

Cualquier proceso se puede describir en función de las relaciones existentes entre la salida y dos grupos de entrada:

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- La salida del proceso, variable controlada o dependiente (Vc)- La entrada del proceso, variable manipulada (Vm)- La entrada del proceso, variable de perturbación (Vp)

Control Feedforward

Proceso

Referencia

Variable Manipulada

Variable Controlada

Alimentación

Variable de perturbación

Fig. 17 Diagrama de Bloque: Control Feedforward.

4.C

. C

ontr

ol P

real

imen

tado

(fee

dfor

war

d)Control Prealimentaco (feedforward)

21/02/09

Por lo tanto el proceso queda descrito por la siguiente ecuación:

GpVpGmVmVc ** −= ... (I)

4.C

. C

ontr

ol P

real

imen

tado

(fee

dfor

war

d)

Aplicación: Intercambiador de Calor

- La temperatura de salida es la variable controlada, el caudal del producto y su temperatura de entrada son sus variables de perturbación, mientras que el caudal de vapor es su variable manipulada.

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Fig. 18 Control Feedforward: Intercambiador de Calor.

4.C

. C

ontr

ol P

real

imen

tado

(fee

dfor

war

d)


- Aplicando el balance de energía obtenermos:

21/02/09

- Asumiendo que no existen otras perturbaciones, fijamos el caudal de vapor necesario para mantener ésta temperatura:

)(*** TeTsCpFpFsHs −=

)(** TeRHsCpFpFs −= 4.

C.

Con

trol

Pre

alim

enta

do (f

eedf

orw

ard)


- Si nos percatamos el modelo anterior, se basa 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 dónde se encuentran ubicadas dentro del proceso.

21/02/09

- Por ello, se debe realizar una compenzación dinámica, por lo cual introducimos en el proceso una función de tiempo (lead/lag) en las variables de perturbación. Por consiguiente el modelo pasa a ser :

Fig. 19 Control Feedforward: Intercambiador de calor con función de tiempo (lead/lag).

4.C

. C

ontr

ol P

real

imen

tado

(fee

dfor

war

d)Aplicación: Intercambiador de Calor

Muchas veces existen influencias externas que producen errores en el cálculo. Como consecuencia, la temperatura de salida puede sufrir deriva, produciendo un error permanente.

21/02/09

Éstas influencias pueden ser:- Cambio en la presión de vapor.- Cambio en las condiciones ambientales.- Ensuciamiento en los tubos en el intercambiador.

Por ello se recurre a un procedimiento que sea capaz, de mantener la variable controlada en su valor de referencia. Éste procedimiento es el control feedback.

4.C

. C

ontr

ol P

real

imen

tado

(fee

dfor

war

d)


21/02/09

Éste controlador mantendrá la temperatura en el valor de referencia deseado, corrigiendo los desequilibrios producido por las perturbaciones no medidas y los errores de cáculo.

Fig. 20 Control Feedforward con Feedback .






E. Control selector

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4.D

. C

ontr

ol d

e R

ango

Par

tido

Control de Rango Partido

- Estrategia de control que involucra el uso de dos válvulas, las cuales son operadas por el mismo controlador.

21/02/09

- Se utiliza posicionadores de válvulas para establecer el rango de acción entre cada una de ellas.

- Se acostumbra dejar una banda muerta entre un rango y el otro, en algunos casos. En otros no es necesario o incluso puede ser necesario un traslape.

Banda Muerta

Presión (psi)

Válvula A

3 9

Válvula B

9.6 15

- Llamado tambien split range.

4.D

. C

ontr

ol d

e R

ango

Par

tido

Ejemplo: Control de Rango Partido

21/02/09

- La válvula A se cierra con una señal de 3-9 psi- La válvula B se abre con una señal de 9.6-15 psi

PT

PC

Venteo

Suministro de N 2

BA

Fig. 21 Control Rango Partido.






E. Control selector

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4.E

. C

ontr

ol S

elec

tor

Control Selector

En muchas ocasiones, las variables medidas o salidas de controladores se debe seleccionar una de ellas, ya sea por razones de seguridad, eficacia, etc.

21/02/09

En el caso sean variables medidas, el selector sólo realizará la función de selector puro, puesto que se trata de variables cuyo valor es fijo.

- Ejemplo: La temperatura mas alta en un reactor, la cual es utilizada como variable del proceso para un controlador, para ello selecciona entre los milivoltios generados por cada uno de los termopares implicados

En el caso se trate de seleccinar variables de salidas, el seleccionará sólo una entre la de varios controladores, la variable seleccionada no es fija, sino flotante.La salida de los controladores no seleccionados, tienden a desplazarse hacia un extremo u otro del rango, dado que las salidas (PID) poseen la acción integral la cual tiende a saturar su salida en alguno de los extremos cuando existe error entre la variable medida y el punto de consigna.

4.E

. C

ontr

ol S

elec

tor

Control Selector

Se utiliza en aplicaciones en las que la variable de proceso es la variable a controlar durante la operación normal. En el caso de una operación anormal sin embargo, algunas otras variables de proceso podrían convertirse en la variable a controlar para prevenir que ésta exceda un límite del proceso o de un equipo. Se dice que el controlador limitante está “sobrepasando” o “dominando” al controlador normal del proceso.

21/02/09

Fig. 22 Control Override: Línea de flujo.

4.E

. C

ontr

ol S

elec

tor

Aplicación: Estación de Bombeo

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Variable controladas:-Presión de aspiración- Presión de impulsión

Variable manipulada:- Válvula automática situada en la línea de impulsión

Fig. 23 Control Override: Estación de bombeo.

4.E

. C

ontr

ol S

elec

tor


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F

T

medio controlado

Salida

TC101

FV103

Fcombustible

TT101

FT103

FC103

TX<

TT102

TC102

SP1

SP2

Fig. 22 Control Override: Intercambiador de calor.

* R

efer

enci

a B

iblio

gráf

ica

13/10/08

BIBLIOGRAFÍA

[1] TECSUP

“Gruía: Control de Procesos II”

[2] Acedo Sánchez, José

“Control Avanzado de Procesos”

[3] Corripio & Smith

“Control Automático de Procesos”

GRACIAS

[email protected]

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Estrategias de Control[1]

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