T7 Estructuras Avanzadas Cascada

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Estructuras Avanzadas de control: Estructuras Avanzadas de control: Control en CascadaControl en Cascada

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Control en cascadaControl en cascada

Se utiliza cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable de proceso 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 detectarrápidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción correctoraSe realiza mediante bucles de realimentación anidados

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Bucle simple de control de temperatura

u SP

T

Condensado

Fv

TC

TT

Fe

Pa

Objetivo:Calentar una corriente de proceso, Fe, manipulando el caudal de combustible, Fv, que entra al intercambiador. La caída de presión en la válvula puede sufrir variaciones. Así mismo, el caudal de entrada, Fe, puede fluctuar alrededor de su valor nominal.

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Variables significativas:

Variable de salida o controlada: Temperatura T (ºC)

Variable manipulada o controlada: u (% apertura de la válvula). Cambia Fv (l/s),caudal de vapor que es la variable de proceso manipulada.

Variables de perturbación:perturbación a la entrada: Pa (atm), caída de presión en la válvula (si Pa varía a la misma apertura de válvula (u) el caudal Fv será diferente. Fv es una variable auxiliar que refleja la perturbación antes de que se propague a la salida y existe una relación causal entre Fv y la variable de control, u:

perturbación a la salida: Fe (l/s), cambios en el caudal de entrada (se transmiten directamente a la salida sin afectar previamente a otra variable de proceso auxiliar)

)()(

)(sUsF

sG vv =

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u r

T

Condensado

Fv

TC

TT

Fe

Pa

Respuesta a cambios en la presión de suministro de combustible:

Si Pa varía, a la misma apertura de válvula (u), variará Fv (energía aportada) y por tanto, afectará a la temperatura TEl efecto de la perturbación se traduce en un cambio en T que será corregido por el controlador de realimentación modificando la apertura de válvula, u

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T

Condensado

TC

TT

ru

Fv

u T

D1

Gc Gv Gp

Fvr

+ -

D2

++

++

D1: perturbación debida a Pa (con dinámica GD1)D2: perturbación debida a Fe(con dinámica GD2)

El controlador realimentado no rechazará las perturbaciones hasta que su efecto se propague a la salida

Diagrama de bloques:

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Estructuras Avanzadas de Control

Control en cascada

La estructura de control en cascada se caracteriza por dos controladores realimentados anidados, siendo la salida del primario(maestro) el punto de consigna del controlador secundario (esclavo). La salida del controlador secundario es la que actúa sobre el proceso.

Objetivos:

Minimizar el efecto de algunas perturbacionesMejorar las prestaciones dinámicas del sistema de control

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Control en cascadaDiagrama de bloques:

D(s): perturbación a la entradaX(s): variable secundaria

» refleja la perturbación antes de que se transmita a la salida» tiene relación causal con U(s)

U(s)Y(s)

D(s)

Gc1Gp1 Gp2

R(s)+ - +

++ - Gc2

X(s)

Gd

BUCLE SECUNDARIOBUCLE PRIMARIO

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Ejemplo intercambiador:Plano de control (en notación ISA simplificada)

El regulador externo (TC-temperatura) fija la consigna del regulador interno (FC-caudal) cuyo objetivo es corregir el efecto sobre el caudal de combustible (Fv) del cambio en Pa antes de que afecte de forma significativa a la temperatura T.

Fe

Condensado

Pa

Fv

SP

T

TC

TT

FT

FCSP

Control en cascada

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Ejemplo intercambiador:

Diagrama de bloques:

El regulador externo (TC-temperatura) fija la consigna del regulador interno (FC-caudal) cuyo objetivo es corregir el efecto sobre el caudal de combustible (Fv) del cambio en Pa antes de que afecte de forma significativa a la temperatura T.

U(s)T(s)

D1

TC Gv Gp

FvR(s)+ -

D2

++

+++ -

externo interno

FC

Control en cascada

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Ejemplo intercambiador:

• Proceso principal: (TC-Intercambiador) proceso de dinámica más lenta• Proceso secundario (FC-Vapor) prcoeso de dinámica más rápida

» El efecto de las perturbaciones sobre el proceso secundario es controlable» Es necesario utilizar más instrumentación

U(s)T(s)

D1

TC Gv Gp

FvR(s)+ -

D2

++

+++ -

externo interno

FC

Control en cascada

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Criterios de diseño:

Es aconsejable cuando se cumplen las siguientes condiciones:

• El bucle simple no da una respuesta satisfactoria (proceso de dinámica lenta, tiempo muerto grande en relación a la constante de tiempo, sometido a perturbaciones significativas, ...)

• Existe una variable secundaria, X(s), medible a costo razonable, que satisface las siguientes condiciones:

Debe indicar la existencia de una perturbación importanteDebe existir una relación causal entre la variable manipulada y la variable secundariaLa dinámica de la variable secundaria debe ser más rápida que la de la variable primaria . De esta forma, el bucle interno controla la variable secundaria antes de que el efecto de la perturbación se propague a la variable primaria (variable controlada) de forma significativa

( ))(/)( sMsX

( ))(/)( sMsX

( ))(/)( sXsY

Control en cascada

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Sintonía: primero se ajustan los parámetros del controlador secundario.Posteriormente, con el bucle secundario cerrado, se ajustan los delcontrolador primario.

PASOS:SINTONÍA DEL BUCLE SECUNDARIO

» Obtener un modelo de la parte del proceso incluida en el secundario (modelo de conocimiento o modelo experimental)

» Sintonizar el controlador secundario por cualquiera de los métodos conocidos (normalmente se utiliza un PI ya que el secundario debe ser un bucle rápido)

SINTONÍA DEL BUCLE PRIMARIO

» Obtener un modelo de la variable controlada a cambios en el punto de consigna del controlador secundario (con el bucle secundario cerrado)

» Sintonizar el controlador primario por alguno de los métodos conocidos

Control en cascada

)()(1)(

)()( int12

12 sGsGGGGG

GGsMsYsG pernoBCp

Tc

cproceso =

+==

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uT

D1

Gc1 G1 G2

r+ -

D2

++

+++ - Gc2

externo interno

Control en cascada

Sintonía

• Sintonizar primero los bucles interiores, luego los exteriores• En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que un bucle

simple • Si un bucle está en modo manual, todos los externos a él también

deben estar en modo manual

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Fe

Condensado

Pa

Fv

SP

T

TC

TTPT

PCSP

Control en cascadaCascada Temperatura-Presión

• El bucle secundario (PC) controla la presión en el interior del tanque. De esta forma se pueden corregir más perturbaciones (todas las que afectan a la presión y, posteriormente a la temperatura) de forma más eficaz.

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Cascada Temperatura-Presión: Diagrama de bloques

• El regulador externo (temperatura-TC) fija la consigna del regulador interno (presión-PC) cuyo objetivo es corregir el efecto de las perturbaciones (por ejemplo, variaciones en la caída de presión en la válvula) sobre la presión en el interior del tanque (Ps) antes de que afecten de forma significativa a la temperatura T.

uT

D1

TC vapor intercambiadorPsr

+ -

D2

++

+++ - PC

externo interno

Control en cascada

User

Resaltado

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Control de Nivel

• Respuesta a cambios de la presión en la línea de descarga: afecta al nivel en el tanque (h) y será corregido por el regulador modificando u

F

LC

SP

u

LT

Fe

h

Ps

Control en cascada

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Cascada Nivel-Caudal:

• El regulador externo (nivel-LC) fija la consigna del regulador interno(caudal-FC), cuyo objetivo es corregir las perturbaciones sobre el caudal F antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito

F

LC

SP

u

LT

Fe

Ps

FC

FT

SP

Control en cascada

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Control en cascada: Diagrama de bloques

• El regulador externo (nivel-LC) fija la consigna del regulador interno(caudal-FC), cuyo objetivo es corregir las perturbaciones sobre el caudal F antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito

uh

D1(Ps)

LC caudal depósitoFr

+ - ++

+ - FCexterno interno

Control en cascada

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Control de temperatura de un reactor

• Respuesta a cambios en la temperatura del refrigerante, Ti : afecta a la T del reactor y, por lo tanto, a la reacción. Será corregido por el regulador modificando la apertura de la válvula, u, y por tanto el caudal de refrigerante.

ReactorT

Refrigerante

Producto

u

Ti

Reactante

TC

TT

Control en cascada

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Control en cascada temperatura-temperatura

• El regulador externo (temperatura en el interior-TC1) fija la consignadel regulador interno (temperatura de la camisa-TC2) cuyo objetivo es corregir las perturbaciones que afectan a Tr antes de que afecten significativamente a la temperatura T

ReactorT

Refrigerante ProductoTi

ReactanteTTTC

TT

TC

Tr

Control en cascada

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Control en cascada: Diagrama de bloques

• El regulador externo (temperatura en el interior-TC1) fija la consignadel regulador interno (temperatura de la camisa-TC2) cuyo objetivo es corregir las perturbaciones que afectan a Tr antes de que afecten significativamente a la temperatura T T

uT

D1(Ti)

TC1refrig reactor

r+ - +

++ - TC2

externo interno

Control en cascada

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Control de un reactor

ReactorFT

FT

FC

FC

TT

AT SP Comp.Refrigerante

Producto

TC

TT

Tr

TC

TTi

FeAC

Temp

Reactante

LC

LT

Control en cascada

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• Bibliografía:

» P. Ollero, E. F. Camacho. Control e instrumentación de procesos químicos. Ed Síntesis (1997). Capítulos 17 y 18

» Process Control. T.E. Marlin. Ed. Mc Graw Hill (1995). pp. 234-239, capítulos 14 a 19

» Essentials of Process Control. W.L. Luyben, M.L. Luyben. Ed. Ed. Mc Graw Hill (1997), capítulos 4 y 9

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