estrategia de control.pdf

TECSUP-PFR Control Automtico II

35

UNIDAD III

ESTRATEGIAS DE CONTROL

Se ha revisado anteriormente aspectos importantes sobre los sistemas de control realimentados. La caracterstica de ellos ha sido el control de lazo simple o equivalentemente el tener una sola variable de control y una sola variable manipulada. Existen algunas aplicaciones sin embargo en las cuales la variable manipulada est en funcin a la combinacin de dos o ms variables de control. Veremos aqu algunas estrategias de control relacionadas con este concepto. 1. CONTROL EN CASCADA

Es una tcnica que usa dos sistemas de medicin y control para manipular un solo elemento final. Su propsito es incrementar la estabilidad en procesos particularmente complejos. sta ha sido usada durante aos y es muy efectiva en muchas aplicaciones. La relacin que existe entre los controladores es referida a una denominada de maestro-esclavo o de primario-secundario. La unidad maestra es el controlador de la variable cuyo valor es el de principal importancia. Por ejemplo, en la figura 1 se simboliza un calentador, en donde el calor obtenido de la combustin de aire con combustible se transfiere a un determinado material, esta variable principal sera temperatura. El esclavo o unidad secundaria, es el controlador de la variable cuyo valor es importante slo si afecta a la variable primaria. En el ejemplo anterior podra ser el flujo de combustible que alimenta al quemador. Se puede lograr un control de temperatura ms cercano y estable con el sistema en cascada que con un control realimentado simple. El control en cascada realiza dos funciones importantes: reduce el efecto de los cambios de carga cerca a su fuente y mejora el control reduciendo el efecto de los retardos de tiempo. La segunda mencin es la ms obvia; tpicamente ocurre en aplicaciones de temperatura y analticas en donde estos retardos de tiempo son generalmente largos. El otro efecto es menos obvio y tal vez es mejor explicarlo tomando en cuenta el sistema simple. En la en el esquema superior de la figura 1 se muestra un control realimentado simple de temperatura del calentador antes mencionado. Aqu la temperatura es enviada por el transmisor (TT) al controlador (TC), e cual regula directamente el flujo de combustible de entrada a travs de la vlvula de control. Este sistema trabaja muy bien excepto, cuando los disturbios ocurren en el sistema de alimentacin (ingreso de material; en la figura descrito como medio controlado) o cuando las variaciones del flujo de combustible afectan a la temperatura. Debido a la capacidad del fluido en el tanque y al retardo, el

Control Automtico II TECSUP-PFR

36

controlador no detecta inmediatamente los disturbios. Al tiempo que se hace la detencin, probablemente el disturbio haya desaparecido y se produzca una accin cclica.

Figura 1 Control realimentado simple

El esquema de la figura 2 muestra como opera un sistema en cascada. El flujo de alimentacin de combustible es medido a travs del transmisor de flujo (FT) y controlado para mantenerlo en el valor deseado, independientemente de las variaciones del suministro. El controlador de temperatura es puesto en cascada con el controlador de flujo (FC), de modo tal que otras variaciones como velocidad de alimentacin del producto, efectos de la temperatura ambiente y otros, sean superados, mantenindose la variable principal (temperatura) al punto deseado. La salida de este controlador viene a ser el set point del controlador de flujo, variando lo que fuese necesario para mantener una temperatura correcta. Un requerimiento para el control en cascada es que el lazo interno (secundario) debe ser significativamente ms rpido que el lazo externo (primario). No hay una definicin precisa de la expresin significativamente ms rpido, sin embargo una buena regla prctica podra ser que la frecuencia de oscilacin en el lazo secundario (cuando est bien sintonizado), debe ser al menos tres veces la correspondiente al lazo primario (estando tambin bien sintonizado). Si la velocidad de respuesta del lazo primario es cercana a la del secundario, puede ocurrir una reaccin adversa entre ambos lazos. Ms an, si el lazo primario es ms rpido, un control en cascada no sera necesario en primer lugar, pues un controlador de lazo simple sera suficiente para manejar el proceso.

TT

TC

F combustible

F medio controlado

T salida


37

Figura 2

Control en cascada

1.1 SINTONA

Cuando se va a configurar y sintonizar un sistema de control en cascada, se debe empezar por el lazo interno o lazo secundario. Se coloca el controlador respectivo en manual y se sintoniza el lazo mencionado. Una vez efectuado esto y con el controlador ya en automtico, este lazo se convierte en meramente una parte del proceso en lo que concierne al lazo primario. Entonces, el lazo primario puede ser sintonizado, usando cualquiera de los procedimientos ya estudiados y colocado en la condicin de automtico. Los sistemas en cascada no son siempre la solucin para toda condicin inestable en el proceso o para problemas de retardo de medicin; sin embargo, proveen soluciones satisfactorias para muchos problemas de aplicacin.

1.2 CONTROL DE RAZN

Como su nombre lo indica, este tipo de control debe mantener una razn o relacin fija entre dos variables. La aplicacin ms comn es la de mantener una relacin fija entre dos flujos. Si bien es cierto que existen algunas aplicaciones que no estn basadas en flujo, la mayora de las aplicaciones relacionan flujo con flujo. La definicin general de flujo usada aqu es cualquier forma de transferencia de masa o energa. Las siguientes son aplicaciones tpicas para control de razn:

TT

TC

F combustible

F medio controlado

T salida

FT

FC


38

Mezclado de dos o ms componentes. Un ingrediente puede ser seteado como la referencia principal y los dems ingredientes son relacionados al anterior.

Control de aire-combustible para un proceso de combustin. En un sistema simple de control aire-combustible, el flujo de este ltimo puede ser controlado por un controlador de temperatura o presin; la medida del flujo de combustible es luego usada para determinar el set point de un controlador de flujo de aire.

Control del flujo de un producto en funcin a la velocidad de alimentacin, como una forma de control de composicin. sta es una tcnica comn en torres de destilacin.

El esquema predominante desde hace varios aos usa una razn ajustable entre la variable primaria o no controlada y el ndice de control de la variable secundaria o controlada. Aqu el flujo no controlado (primario) es medido y usado para controlar el otro flujo (secundario) para mantener la razn deseada, como se muestra en la figura 3. Para este fin se han empleado por mucho tiempo equipos denominados estaciones de razn con una escala ajustable en forma manual; posteriormente se emplearon controladores especiales. Actualmente esta relacin se ajusta por software como una opcin interna en controladores digitales que reciben las dos seales de campo correspondientes a las variables controlada y no controlada y entregan la seal de ajuste al elemento final de control en funcin a esta razn y al tipo de control elegido. La variable primaria no es siempre no controlada. A veces por diferentes razones tambin se controla. Como en el caso anterior, la seal transmitida primaria es alimentada a un dispositivo de razn cuya salida fija el punto de control del controlador secundario. Al usar sistemas de control de razn, uno debe asegurarse que ambas mediciones estn en las mismas unidades (ejemplo galones por minuto, libras por hora, etc.) y que las escalas usadas sean las mismas. Los sistemas de control de razn son muy comunes en procesos de mezclado en donde se requieren altas precisiones en la relacin de mezcla. En la figura siguiente se tiene un sistema de mezclado. Las seales representativas de los flujos medidos por los transmisores de flujo respectivos (FT-1 y FT-2) son enviadas al controlador de razn (FFC) para ajustar el flujo secundario a travs de la vlvula de control (FV). La razn como se ha mencionado es ajustada en el mismo controlador.


39

Figura 3

Control de razn

Un esquema ms interesante que lo anteriormente mencionado lo constituye el ajuste automtico de la razn relacin de flujos por medio de otro controlador, tal como sucede en algunos sistemas de control de combustin. En la figura 4, se trata de mantener constante la relacin o razn aire-combustible en un intercambiador de calor. El flujo de combustible es medido y multiplicado por la razn aire-combustible; esto resulta en el flujo de aire requerido que es introducido como set point del controlador de realimentacin. Lo nuevo de este diagrama es que la razn aire-combustible es automticamente ajustada por la salida del controlador de O2.

FV

FT

2

FT

1

FFC

f lujo controlado f lujo no controlado

salida


40

Figura 4

Ajuste automtico de la razn

Componentes adicionales del sistema anterior son mostrados en lneas ms delgadas; esto incluye la medicin y control de la temperatura de salida del calefactor que ajusta el flujo de combustible. Sin embargo para propsitos de lo mencionado anteriormente, no son parte del presente anlisis. El propsito principal del control de razn aire-combustible es la eficiencia de la energa. Para una determinada cantidad de combustible, se requerira una cantidad terica de aire si hubiese una combustin completa del combustible. En la prctica sin embargo, se requiere una cantidad mayor de aire para proveer una buena mezcla de aire y combustible. Si hay insuficiente aire, habr una cada de la eficiencia debido a la prdida de combustible que no se quema; por otro lado, si hay mucho aire, habra igualmente una menor eficiencia debido a la prdida de la energa llevada a cabo por los gases inertes en la pila (principalmente nitrgeno). La composicin de O2 en la pila puede ser monitoreada y controlada, ajustando automticamente la relacin aire-combustible.

3. CONTROL PREALIMENTADO (FEEDFORWARD)

Consiste en la aplicacin de una accin de control a un proceso antes de que ocurra una desviacin en la variable controlada. En este punto todas las discusiones sobre los principios de control se han centrado de modos de control que utilizan el concepto de realimentacin (feedback) para regular variables de procesos. El control realimentado acta slo despus de sensarse una desviacin

TT

TC

Combustible

FT

FCFC

Aire

X

FT

O2T

O2C


41

con respecto al set point; tericamente previene esa desviacin. Esto lo logra midiendo las variables que causan cambios de carga en el proceso y manipulando aquellas variables que cancelan los efectos de cambios de carga antes de que aparezcan las perturbaciones, figura 5.

Esta tcnica no es comn en sistemas de control convencionales, debido tal vez, al poco conocimiento acerca del balance de energas de un proceso. Ms bien es aplicable a sistemas de un controlador por computador o lazos de control convencionales, a los cuales se les ha aadido funciones de computacin o clculo para incrementar sus capacidades de control. Este tipo de control es ms aplicable a procesos difciles de regular. Adicionalmente, se requiere un gran conocimiento del proceso y de como va a reaccionar el cambio de carga. El uso de este control se da mucho en sistemas en los cuales hay retardos de tiempo apreciables. Una falla de control prealimentado es su dependencia a la precisin. Para obtener un control perfecto, es necesario modelar exactamente el sistema. Esto no es posible debido a que las cargas y variables medidas son imprecisas y la informacin acerca de un proceso es relativamente insuficiente. Para permitir un mejor control a menudo su usan lazos realimentados cuando se usa un control prealimentado. Sin embargo, el rol del control realimentado es reducido en este caso. En suma, hay algunas condiciones que permiten que el control prealimentado sea una tcnica efectiva. Sin embargo, su necesidad de un mayor conocimiento del proceso para disear el sistema lo hacen ms complejo que el control realimentado y por su naturaleza, impide la produccin masiva de sistemas prealimentados ajustables. Recordemos el control en cascada de la figura 2 vista anteriormente. En ese sistema de control de la temperatura de un calentador, con cualquier disturbio se originar un error en el lazo realimentado para hacer que el controlador de temperatura cambie el set point del controlador de flujo. Este sistema es un buen candidato para aplicar un control prealimentado. Supongamos que que hemos analizado la aplicacin y hemos determinado que la variacin en la temperatura de entrada al proceso es el principal disturbio. Por lo tanto, nuestro controlador prealimentado debe manejar el controlador de flujo de combustible, sensando la temperatura de entrada en lugar de ser manejado por el controlador realimentado.


42

Figura 5 Sistema candidato para control prealimentado

Empezamos el diseo formulando el modelo del proceso. Desde que es un proceso trmico, un modelo elemental de balance de energa ser suficiente:

Fp x cp x (Ts Te) = F x Cc x Ef

En donde: Fp es el flujo de entrada del fluido de proceso Cp es el calor especfico del fluido de proceso Ts es la temperatura de salida del fluido de proceso Te es la temperatura de entrada del fluido de proceso F es el flujo del combustible Cc es el valor de calentamiento del combustible Ef es la eficiencia del calentador Ahora, si reemplazamos la temperatura de salida Ts con la temperatura de deseada de salida Ts*, y despejamos la ecuacin anterior para el flujo requerido de combustible F*, tendremos:

TT

TC

F combustible

F medio controlado

T salida

FT

FC

Te

fc

eSpP

ExC

TTxcxFF

)(=*

*


43

Si nuestra suposicin anterior de que la temperatura de entrada es el nico disturbio y si no nos preocupamos por la dinmica, este controlador prealimentado podra mantener exactamente la temperatura correcta de salida Ts* sin medir realmente la temperatura de salida Ts y sin usar realimentacin. En la figura 6 se muestra esta estrategia la cual se podra implementar ya sea con dispositivos electrnicos o bloques de funcin (software).

Figura 6 Control prealimentado de la temperatura de entrada

Supongamos sin embargo que existen otros disturbios como por ejemplo variaciones en el flujo del fluido de proceso variaciones el valor de calentamiento del combustible. Se pueden en este caso medir estas variables adicionales e incorporarlas dentro del sistema de control prealimentado. Por otro lado, si se agrega un control realimentado de la temperatura de salida, una forma comn es sumar la seal de este controlador con la del controlador prealimentado e ingresar el resultado al controlador de flujo. La seal realimentada debe ser escalada de modo tal que estando en el centro de su escala, representa una correccin cero a la seal prealimentada. Este mtodo es muy usado por su simplicidad. Sin embargo hay un problema en el hecho que la ganancia del lazo realimentado podra variar inversamente con el flujo del fluido de proceso. Si es as, el controlador realimentado requerira ser resintonizado para diferentes flujos. Otra posibilidad es multiplicar las seales realimentada y prealimentada, mtodo que a veces resulta mejor.

Ts

F combustible

F medio controlado

T salida

FT

FC

TT

xT

s* - T

i

F*

F

To*+

_

Fpc

p

CcE

f

Ti


44

3.1. COMPENSACIN DINMICA

Para implementar un control prealimentado perfecto, se pueden identificar tres posibles barreras: Podran haber otros disturbios. Nuestro modelo de proceso podra ser incorrecto. No se han considerado las dinmicas del proceso. Combinando el control prealimentado con control realimentado, se puede manejar el primero de estos problemas. El uso principal del control realimentado es para corregir los errores en el estado estable del controlador prealimentado, siendo entonces su responsabilidad no muy grande como sucedera si estuviese manejando solo el proceso. Si las dinmicas deben ser consideradas, entonces requerimos elementos que compensen las mismas. Desde el punto de vista prctico y tomando en consideracin la tecnologa digital, un controlador prealimentado est formado por los siguientes bloques, figura 7.

Figura 7 Estructura de un controlador prealimentado

En cada caso, se tienen los ajustes respectivos: la ganancia Kf, el tiempo de adelanto (lead time, LD), el tiempo de atraso (lag time,LG ) y el tiempo muerto TDTM.

4. CONTROL DE RANGO PARTIDO (SPLIT RANGE)

Esta estrategia involucra el uso de dos vlvulas operadas por el mismo controlador. Utilizando posicionadores de vlvula es posible establecer el rango de accin para cada una de ellas. A menudo es deseable tener una pequea banda muerta entre las operaciones de las vlvulas; el porcentaje de banda muerta vara segn la aplicacin. En algunos casos no se necesita una banda muerta y en otros se necesita un traslape en la accin de las vlvulas. En la figura 8 podemos observar un ejemplo de esto. Se trata de controlar la presin de un gas en un tanque manipulando la vlvula de ingreso (A), de modo tal que a medida que la presin se va incrementando, el controlador enva una seal en ascenso de 3 a 15 psi para ir cerrando la vlvula. Es importante sealar que A obedece a una parte de la seal de control (3-9 psi para el ejemplo). En realidad esto solamente se logra con la presencia de un posicionador de vlvula que trabaja calibrado para ese rango. Si la presin debe ser disminuida, la seal

Ganancia de

estado estable

Adelanto-Atraso

Tiempo Muerto


45

del controlador, que debe ser en estas condiciones mayor que 9.6 psi (se ha empleado una banda muerta en este caso), ir abriendo la vlvula de venteo (B), la cual debiera estar totalmente para una seal de 15 psi. Del mismo modo, B trabaja con un posicionador calibrado para el rango de 9.6-15 psi.

Figura 8 Control de rango partido

5. CONTROL SELECTOR

Un dispositivo selector puede ser tanto un dispositivo de hardware como un bloque de funcin (software). ste pasa la ms alta o la ms baja de varias seales hacia su salida. Un procedimiento de configuracin determina si deja pasar la seal alta o baja.

Existen varias formas de usar selectores en estrategias de control. Una es seleccionar la ms alta (o ms baja) de varias seales de medicin para pasar como las variables de proceso hacia un controlador de realimentacin. Por ejemplo, la ms alta de varias temperaturas de un proceso podran ser seleccionadas automticamente para convertirse en la temperatura a ser controlada. A medida que las condiciones del proceso varan, el selector asegura que aparte de las condiciones del proceso, el punto de control es el ms alto de las temperaturas medidas. Colocar un selector en el lado de medicin de un controlador puede ser una aplicacin que posee un reto menor. Una aplicacin ms interesante ocurre cuando el selector selecciona entre la ms alta y la ms baja de las salidas de varios controladores.

PC

Suministro de N2

La v lv ula A se cierra

con una seal de 3-9

psi

La v lv ula B se abre

con una seal de 9.6-15

psi

Venteo

PT

A

B


46

La aplicacin ms usual para este tipo de situacin es aquella en la que la variable de proceso es la variable a controlar durante la operacin normal. En el caso de una operacin anormal sin embargo, algunas otras variables de proceso podran convertirse en la variable a controlar para prevenir que sta exceda un lmite del proceso o de un equipo. Se dice que el controlador limitante est sobrepasando o dominando al controlador normal del proceso. El trmino ingls para este tipo de control es override. Por ejemplo, supongamos que la temperatura de salida de un calentador de proceso es normalmente controlada por la manipulacin de la vlvula de combustible como se observa en la figura 9. En una operacin normal, la temperatura de salida debera ser mantenida a su set point. Sin embargo, supongamos que hay un lmite operacional de la temperatura de los tubos dentro del calentador. Si ste ha sido apropiadamente diseado, durante la operacin normal la temperatura del tubo permanecer debajo del lmite; sin embargo, condiciones anormales como el efecto del coque adherido en la tubera o sobrecarga del calentador, podran causar una elevacin de la temperatura.

Si se mide la temperatura del tubo, un controlador limitador podra ser usado para prevenir el sobrepaso del lmite operacional. Aqu, las dos salidas del controlador podran ser conectadas a un selector de valor bajo; el controlador demandando la posicin ms baja de la vlvula dominar al otro. En condiciones normales, ste ser el controlador de temperatura de salida. Debe anotarse que este es meramente un ejemplo para visualizar en forma sencilla la aplicacin de esta estrategia. Evidentemente en aplicaciones prcticas pueden ser necesarios ms elementos que aseguren que el proceso sea controlado dentro de los lmites preestablecidos.

Figura 9 Ejemplo de Control Selector

TT

TC

Combustible

Vlv ula de aire

para abrir

T salida

TC

TT

Selector

Bajo

Set Point

Lmite de temp.

en el tubo

Set

Point


47

En la prctica se dan varias oportunidades para usar el control selector. Las caractersticas de la aplicacin son que en operacin normal, un controlador est controlando el proceso, pero en operacin anormal, otro controlador (o tal vez varios) toma el control por encima del anterior. A menudo el objetivo es proteger al equipo de proceso, an sacrificando el control del proceso.

6. CONTROL DE LAZOS INTERACTIVOS

Se dice que dos o ms lazos interactan cuando el movimiento del elemento final de control de uno de ellos afecta no solamente su propio proceso sino tambin la variable de proceso de uno o ms lazos de control adicionales. Si la accin correctiva de los controladores de los otros lazos afectan a la variable de proceso del lazo inicial, entonces existir un ciclo interminable de interacciones entre los lazos. De aqu es que surge el concepto de lazos interactivos. Desde que estn involucrados mltiples objetivos de control, el problema puede tambin ser visto como un diseo de un sistema de control multivariable. En la prctica se utilizan dos mtodos para manejar estos casos. El primero de ellos es un juicioso emparejamiento de los controladores de variables de proceso con el elemento final de control. Usualmente el primer paso en el diseo de un sistema de control para un proceso es la seleccin de lazos de control, esto es, la seleccin de aquellas variables que van a ser manipuladas para ser controladas. Esta tarea de emparejamiento ha sido tradicionalmente realizadas por el ingeniero de control y basada principalmente en su intuicin y conocimiento del proceso. Afortunadamente, para varios lazos, la intuicin es todo lo que se necesita. Sin embargo, cuando las interacciones involucradas en el sistema no estn claramente entendidas y la aproximacin intuitiva produce el emparejamiento equivocado, el rendimiento del control es pobre. La solucin oportuna es entonces poner el controlador problemtico en manual, lo cual elimina el efecto de la interaccin. La gran cantidad de controladores operados en manual en muchos casos, son un testimonio de las fallas en el emparejamiento correcto de las variables en el sistema; cada una de ellas es una falla en el intento de aplicar control automtico.

El segundo mtodo involucra el empleo de inteligencia adicional dentro de los lazos para compensar el acoplamiento de los lazos a travs del proceso, de all su nombre de control por desacoplo (decoupling). Un desacoplador es un procesador de seal que combina las salidas del controlador para producir las seales a las vlvulas de control los set points hacia los controladores esclavos. El anlisis y diseo de un desacoplador est fuera de los objetivos de este texto.


48

ANOTACIONES:

estrategia de control.pdf

Documents