TÉCNICAS DE CONTROL AVANZADO.

En las secciones anteriores se han discutido los elementos de un lazo de control realimentado usando controladores P, PI, PD y PID.En los últimos años se han introducido estructuras más complejas, que enalgunos casos, mejoran significativamente el comportamiento del lazo de control. Estas estructuras incluyen:

• Control por

relación.• Control

Cascada.• Control por Acción Precalculada.• Control

Selectivo.

• Control por Adelanto.

Control por Relacion

Como su nombre lo indica el control por relación mantiene constante la relación de dos o más flujos. Estos procesos incluyen: mezcla de gasolina, proporción de reactivos para un reactor químico, la mezcla de una corriente fría con una caliente para obtener una determinada temperatura en una mezcla en particular, etc.

Figura 4.1. Esquema de un control por relación.

En la figura 4.1 se puede apreciar un esquema de un control por relación, se puede observar que el flujo FA se puede medir más no se puede controlar y se debe garantizar que los flujos FA y FB estén entrando al tanque con una relación (R).

FB =RFA

(4.1)

La rata de flujo de la variable (señal) no controlable es medida y la rata de flujo de la variable manipulada es medida y regulada para así mantener entre los dos flujos una relación constante. Como ejemplo se tiene:

• Mantener constante la relación de reflujo en una columna de destilación.

• Mantener las cantidades estequiométricas de dos reactores alimentando un tercer reactor.

Existen dos alternativas para lograr el control por relación:En la figura 4.2

Figura 4.2. Primera alternativa para el control por relación.

Se tiene:

En este caso los dos flujos son medidos y su relación es calculada (por el divisor). Esta relación calculada es alimentada a un controlador convencional PI como la señal de medida del proceso. La salida del controlador va a la válvula sobre la variable manipulada que cambia el flujo proporcionalmente de manera de mantener la relación de los dos flujos constantes. Esta relación calculada puede ser usada para disparar una alarma también. En la figura 4.3 se observa la segunda alternativa para el control por relación. En este caso el flujo no controlado es medido y este flujo es multiplicado por un valor constante, que proporciona la relación deseada. La salida del multiplicador es el Set Point de un controlador remoto sobre la variable manipulada.El control por relación es parte frecuentemente del control realimentado.

Figura 4.3. Segunda alternativa para el control por relación.

Control por Relación:

Objetivo: Controlar el flujo o el volumen de una variable en función de otra. Esta técnica de control, se aplica por lo general a dos cantidades de flujos, que deben mantener una relación prefijada por el usuario. Por lo general se tiene una línea de flujo de un fluido libre y sobre esta se mide la cantidad del fluido existente en velocidad o volumen, este valor se envía a un controlador que contiene un factor multiplicador o un divisor, cuya señal actúa sobre la válvula de control de otra línea con flujo proporcional al valor censado (flujo controlado). El flujo libre se llama variable independiente y el flujo controlado se llama flujo dependiente. Para este tipo de estrategia de control, es muy importante tomar las siguientes consideraciones:

Ambas señales deben tener las mismas unidades. Ambas señales deben estar linealizadas o en forma cuadrática. El rango de los controladores deben ser compatibles con las señales recibidas de un

0% a un 100%. Tomar en cuenta que en la medición de fluidos la linealidad se pierde en los

extremos de la medición. Las características de los fluidos deben ser muy similares.

Control de Cascada :

Objetivo: Mejorar la estabilidad de una variable del proceso aun con una optima sintonización del controlador en lazo retroalimentado. La aplicación de esta técnica de control, es conveniente cuando la variable no puede mantenerse dentro del valor de set point deseado, debido a las perturbaciones inherentes al proceso. Para que un sistema de control en cascada esté bien aplicada es necesario que se tomen en cuenta algunos aspectos importantes para su aplicación, estos son:

Localizar las variables mas importantes del proceso.

Localizar la variable básica a controlar. Localizar la variable que introduce la inestabilidad. Determinar la velocidad de cambio de ambas señales. Hacer un arreglo en cascada, de tal forma que el lazo mayor sea más lento y el

controlador también (control maestro). El lazo menor deberá contener la variable más rápida y el controlador debe ser de

respuesta con retardos mínimos (control esclavo). La relación de la constante de tiempo: TM/TE = 5 ó mayor. El controlador del lazo menor deberá sintonzarse con la ganancia más alta posible El controlador esclavo se selecciona con set point remoto, mientras que el

controlador maestro es de tipo local. Naturalmente que estas recomendaciones son, basándose en la experiencia que se

tiene sobre la dinámica del proceso, sobre el controlador y algo de sentido común.

Control de Cascada :

Uno de los métodos más utilizados para reducir al mínimo perturbaciones que entran en un proceso lento es el control en cascada o circuitos múltiples. El control en cascada puede acelerar también la respuesta del sistema de control, reduciendo la constante de tiempo de la función de transferencia del proceso que relaciona la variable manipulada con la salida del mismo. El control en cascada se define como la configuración donde la salida de un controlador de realimentación es el punto de ajuste para otro controlador de realimentación, por lo menos. Más exactamente, el control de cascada involucra sistemas de control de realimentación o circuitos que estén ordenados uno dentro del otro. En la figura 4.19 se ilustra un diagrama de bloques correspondiente a un sistema de control en cascada. En lugar de ajustar el elemento de control final, por ejemplo una válvula reguladora, la salida del controlador primario es el punto de ajuste del circuito de control secundario.

Figura 4.19. Diagrama en bloques de controladores conectados en cascada.

El circuito de control secundario que abarca sólo una porción del proceso total en un sistema de orden menor, de modo que el controlador se puede ajustar para dar una respuesta más rápida. Estudiando la figura 4.20, en la misma se ha conectado en cascada un controlador de flujo con un controlador de temperatura.

Figura 4.20. Sistema de control en cascada en el cual las perturbaciones originadas en el abastecimiento de vapor quedan imposibilitadas para penetrar en el proceso del intercambiado de vapor.

Las constantes de tiempo del circuito primario son mucho más pequeñas que para el proceso total, de manera que el buen ajuste del controlador secundario elimina de un modo eficaz o reduce al mínimo, por lo menos, las perturbaciones de flujo que entran al proceso a través del abastecimiento de vapor. La eliminación de una fuente de perturbaciones hace disminuir el orden y las constantes de tiempo del proceso: Estas reducciones aumentan la velocidad de la respuesta que se puede obtener en el circuito de control primario. También reducen el tamaño de las variaciones en la variable controlada, más allá de lo que seria posible incrementando la velocidad de respuesta del sistema de control primario. Por lo común, hay tres características principales presentes en el control en cascada para que sea eficaz. La constante de tiempo del circuito cerrado del circuito secundario debe ser menor que un tercio de la constante de tiempo del circuito primario, el circuito secundario debe incluir una fuente de perturbación de proceso importante, y la variable de proceso que se regula debe ser capaz de desplazar a la variable controlada primaria a su valor deseado.

Existen dos propósitos para usar control cascada:

1. Eliminar el efecto de algunas perturbaciones.2. Mejorar la dinámica del lazo de control.

Ya que los cálculos son fáciles, el control cascada puede ser implementado con una gran variedad de equipo analógico y digital. La combinación de fácil implementación y potencialmente gran rendimiento o mejora en el rendimiento del sistema a lazo cerrado ha permitido que el procedimiento de control en cascada se halle esparcido gradualmente. El control en cascada usa una medida adicional de una variable del proceso para ayudar al sistema de control. La selección de esta medida adicional, la cual está basada sobre información acerca de la perturbación más común y acerca de la respuesta dinámica del proceso, es crítica en el éxito de este tipo de control. Por lo cual, el conocimiento de la

operación y la dinámica del proceso es esencial para el diseño adecuado de este tipo de sistema de control.

Cuando usar control en cascada y Criterios para diseñar Control en Cascada.

El control en cascada es efectivo si el lazo interno es más rápido que el lazo externo, si la perturbación principal afecta primero al lazo interno. Normalmente, un lazo de control en cascada no debería utilizarse si la constante de tiempo del lazo externo es por lo menos cuatro veces mayor que la constante de tiempo de lazo interno. El control realimentado en su forma sencilla, provee un buen funcionamiento a lazo cerrado si la fracción de tiempo muerto es pequeña, perturbaciones son pequeñas y lentas, así como procesos con dinámica rápida, adicionalmente el segundo criterio requiere que la segunda variable pueda ser medida y agregué un costo aceptable o razonable. Podemos entonces decir que los criterios para diseño son:

Control en cascada puede ser considerado:

Cuando el control realimentado simple no provee un desempeño satisfactorio a lazo cerrado.

La medida de la variable es disponible.

La variable secundaria debe satisfacer los siguientes criterios:

Debe indicar la ocurrencia de una importante perturbación. Debe haber una relación causal entre la variable manipulada y la segunda

variable. La variable secundaria debe tener una dinámica más rápida que la variable

primaria.

Esto puede ser explicado de la siguiente manera:

Primero, esta debe indicar la ocurrencia de una perturbación importante, que es, la variable secundaria debe responder en una manera predecible cada vez que la perturbación ocurra. La perturbación debe ser importante (tener un efecto significativo sobre la variable controlada y ocurrir frecuentemente) de otra manera no hay razón para atenuar su efecto. Segundo, la variable secundaria debe ser influenciada por la variable manipulada, la relación causal es requerida para que el lazo de control secundario trabaje apropiadamente. Finalmente la dinámica, entre el elemento final de control y la variable secundaria debe ser mucho más rápida que la dinámica entre la variable secundaria y la primera variable. La secundaria debe ser relativamente rápida de tal forma que pueda atenuar una perturbación antes que el efecto de la perturbación afecte la variable controlada.

Resumiendo el control en cascada combina dos controladores realimentados, con el primario (salida) sirviendo de Set Point para el segundo.

Los factores claves en el control cascada son las respuestas dinámicas relativas entre el circuito primario y el secundario. La principal razón para usar cascada son las perturbaciones secundarias, (la compensación de estas).

Ajuste del Controlador:

El control en cascada puede usar el control estándar realimentado PID, lógicamente los modos deben ser seleccionados para cada controlador. El controlador del secundario debe tener el modo proporcional, pero no necesariamente requiere el modo integral, porque el objetivo completo del sistema de control es mantener la variable primaria en la referencia. A pesar de esto la parte integral se agrega frecuentemente por dos razones. La primera, ya que un controlador proporcional produce offset, el lazo secundario debería tener parte integral si se quiere eliminar por completo el efecto de la perturbación, evitando que la perturbación se propague al primario. En segundo lugar, la cascada es frecuentemente operada en forma parcial con el control primario fuera de operación, por ejemplo, cuando el sensor primario esta fuera de servicio o esta siendo calibrado. En el lazo negativo de introducir modo integral en el controlador secundario es que este tiende a ser más oscilatorio; pero el resultado puede que no sea muy significativo cuando el lazo secundario es mucho más rápido que el lazo primario. Los modos de control primarios son obtenidos a partir del PID, debe enfatizar que el modo integral es esencial para garantizar cero error en condiciones estacionarias. La estrategia para ajustar los controladores en cascada es la siguiente:

El ajuste es hecho de manera secuencial. El lazo secundario es ajustado de la manera convencional como fue

realizado anteriormente. Cuando el secundario ha sido satisfactoriamente ajustado, entonces el primario

puede ser ajustado. El controlador secundario es ajustado primero porque el lazo secundario afecta la

dinámica a lazo abierto del lazo primario

Implementación :

El controlador secundario requiere posición adicional llamada “cascada”. En adición, a la posición automática” y ‘manual”. Cuando el switch de estado este en la posición cascada (cascada cerrada), el Set-Point secundario es conectado a la salida del controlador primario; en esta situación el operador no puede ajustar el Set Point secundario. Cuando el estado del switch esta en “automática” o en manual el Set-Point secundario es proporcionado por el operador, en esta situación de cascada no esta funcionando. Control en cascada es mostrado en una manera muy directa. Basicamente, cada controlador es mostrado usando la misma simbología como un controlador de lazo sencillo, con la diferencia que la salida del controlador primario esta dirigida al controlador secundario. Normalmente la señal del controlador primerio es anotada como “ reset “ o “sp” para indicar que esta ajustado o restablecido el set point secuandrio.

Una característica importante para la aplicación de control cascada es la de tratar de garantizar una inicialización sin “sobresaltos”. Es importante darse cuenta que cambiar el estado de la variable secundaria de 0 hasta la posición cascada puede inmediatamente cambiar el valor del Set-Point secundario, lo cual no es deseado. El diseño deseado se obtiene recalculando la salida del controlador primario hasta que sea igual al Set-Point secundario en la inicialización.

Como el control en cascada envuelve más equipo, este es ligeramente más costoso que el control de simple lazo. El incremento en costos viene dado por el sensor y el transmisor hasta el cuarto de control, un controlador, costos por instalación y documentación.Estos costos no son significativos comparados a los beneficios logrados cuando se aplica este tipo de control.

Un control en cascada puede ser efectivo para comparar los efectos de varias perturbaciones, y dadas varias posibles variables secundarias, la que atenúe la más importante perturbación es la mejor escogencia.

Control Anticipativo (Feed forward).

Objetivo: Sensar la perturbación de una variable, antes de afectar al proceso y tomar la acción correctiva para evitar un efecto dañino al producto.

En los procesos que tienen tiempos muertos muy grandes, se presentan desviaciones en magnitud y frecuencia variables, la señal de error se detecta un tiempo después de que se produjo el cambio en la carga y ha sido afectado el producto, y como consecuencia la corrección actúa cuando ya no es necesario.

El problema anterior se resuelve aplicando al proceso esta técnica, que parte de la medición de una o varias señales de entrada y actúan simultáneamente sobre la variable de entrada, produciendo la salida deseada sobre el proceso.

Aplicar esta técnica de control implica un conocimiento amplio, exacto y completo de las características estáticas y dinámicas del proceso. La relación entre la variable

de salida y la variable de entrada, constituye el modelo del proceso y es la función de transferencia del sistema de control en adelanto.

El controlador es quien debe responder a los cambios de las perturbaciones, pero como es lógico, su eficiencia depende de la exactitud del captor y elementos de interfase de una o más variables de entrada y de la exactitud alcanzada en el modelo, calculada en el proceso.

Cabe señalar que es costoso y algunas veces imposible determinar y duplicar el modelo exacto del proceso, por lo tanto, siendo realmente un control en lazo abierto, su aplicación dará lugar a un offset significativo, es decir, se tendrá un error estático permanente y a veces creciente.

El control anticipativo es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos (estado transitorio), pero puede presentar un error estático considerable. Por tal motivo, regularmente se aplica combinado con el control retroalimentado.