Otros esquemas de control

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Control de Procesos II
XII. OTROS ESQUEMAS DE CONTROL
Para mejorar el control de un proceso puede ser necesario incluir diferentes tipos de esquemas de
control, los cuales logran efectos diferentes, sobre las variables a controlar, de los que se obtienen
cuando se introduce un esquema en retroalimentación simple. Entre otros, los esquemas de
control a estudiar serán los que se mencionan a continuación:
-
Esquema de control en cascada.
-
Esquema de control de alimentación adelantada.
-
Esquema de control de relación.
12.1 ESQUEMA DE CONTROL EN CASCADA
Para un sistema de control de retroalimentación simple sólo se involucra una variable medida y
una variable manipulada en el lazo de control, tal como se muestra en la fig. 12.1, donde se
plantea un lazo de retroalimentación simple para el control de la temperatura del crudo a la salida
del horno.
FIG. 12.2 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL EN
FIG. 12.1 ESQUEMA DEL HORNO
RETROALIMENTACIÓN SIMPLE
Este tipo de esquema mantiene la temperatura del horno, Y(s), en su valor de referencia, R(s),
pero es indiferente a las distintas perturbaciones que se presenten en el proceso. Por ejemplo, si
se presenta una perturbación en el flujo del gas, se presentará a posteriori una variación en la
temperatura de salida, lo cual perturba a la variable a controlar. Añadiendo un esquema de control
en cascada, como se muestra en la figura 12.3, se logra minimizar
el efecto de dicha
perturbación. Allí se observa que al variar el flujo de gas, dicha variación será medida y la
información irá al controlador de flujo cuya referencia viene establecida por el controlador de
temperatura.
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FIG. 12.3 ESQUEMA DEL HORNO CON UN CONTROLADOR EN CASCADA
Otro ejemplo en el cual se puede añadir un esquema de control en cascada es un reactor con
reacción exotérmica, en el cual se busca mantener constante la temperatura T de la mezcla
(figura 12.4).
En la camisa circula un refrigerante cuya temperatura TR se considera una
perturbación. La temperatura Ti también se considera una perturbación. La única variable
manipulada es el flujo de refrigerante FR.
FIG. 12.4 REACTOR CON REACCIÓN EXOTÉRMICA
El diagrama de bloques de este esquema de control de retroalimentación simple es semejante al
que se muestra en la figura 12.2, donde r(s) será la temperatura del reactor T y R(s) será la
referencia de dicha temperatura.
En dicho lazo de retroalimentación se mide la temperatura T, se lleva al controlador, donde se
compara con la referencia y de allí se emite la acción de control que va a la válvula manipulando
FR. Este esquema de control no será muy efectivo si cambia TC, pues el esquema de control sólo
tomará una acción ante dicho cambio, cuando T se vea modificada.
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Una forma de mejorar dicho esquema, es medir TC y tomar una acción de control antes de que el
cambio en TC tenga efecto sobre la temperatura T, si TR aumenta se debe aumentar FR y
viceversa (figura 12.5).
Este esquema de control en cascada, en el que se miden dos variables T y TC y se tienen dos lazos
con una sola variable manipulada (FR), se muestra en la figura 12.6.
FIG. 12.5 ESQUEMA DEL REACTOR CON CONTROL EN CASCADA.
(a) El lazo de control que mide T (variable principal), usa como referencia el valor de T fijado
por el operador.
(b) El lazo de control que mide TC (variable secundaria), utiliza la salida del controlador primario
como referencia y es llamado el lazo esclavo.
Este tipo de esquema es muy común en procesos químicos. El diagrama de bloques del mismo
puede ser resumido como sigue:
Lazo Principal
Lazo Secundario
Ti
TR
Gp1
Gp2
Ref
C-1
+
Tc
+
C-2
V
Proceso I
Proceso II
+
Medidor
Medidor
FIG. 12. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN CONTROLADOR EN CASCADA
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El proceso I (primario) tiene como salida a la variable principal a manipular y como entrada a la
perturbación en TR. El proceso II tiene como salida TR y como entrada FC.
Resumiendo, un esquema de control en cascada tiene como objetivo minimizar las perturbaciones
internas al lazo de retroalimentación simple. Además presenta una mayor rapidez de respuesta
ante dichas perturbaciones que un sistema de control con sólo retroalimentación simple.
12.1 ESQUEMA DE CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA (FEED- FORWARD).
Un esquema de control en alimentación adelantada mide la perturbación y toma acción para
reducir el efecto de dicha variable sobre la variable a controlar. La diferencia entre este tipo de
esquema y el anterior es que la alimentación adelantada se utiliza para minimizar las
perturbaciones externas al lazo de retroalimentación simple. En el siguiente ejemplo se puede
apreciar claramente el efecto que se busca al añadir este tipo de lazo.
Lazo I: Esquema de retroalimentación simple en el
cual se controla la temperatura T, manipulando el
flujo de vapor. En este lazo de control si se tienen
variaciones de Ti , el controlador no toma ninguna
acción, sino hasta que la temperatura T se vea
modificada.
Este sería un lazo en alimentación
Lazo II:
FIG 12.7 ESQUEMA DE LA PLANTA
adelantada, el cual toma una acción una vez que
mide una variación en la temperatura (Ti ) a la
entrada.
En general, se puede mostrar en los siguientes diagramas, la diferencia entre un lazo de
retroalimentación simple y un alimentación adelantada.
Perturbación
Perturbación
Controlador
Variable
Manipulada
Proceso
Variable
Controlada
FIG 12.8 ESQUEMAS DE CONTROL EN FEED FORWARD
Variable
Manipulada
Proceso
Variable
Controlada
Controlador
FIG 12.9 ESQUEMAS DE CONTROL EN
RETROALIMENTACIÓN SIMPLE
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En estos diagramas se puede observar claramente que un esquema en retroalimentación
simple toma acción una vez que se haya modificado la variable a controlar, en tanto
que, la alimentación adelantada toma acción en el momento en que la perturbación
presente una variación.
Entre otras cosas se puede mencionar que en un esquema de control en alimentación
adelantada la variable a controlar no es la variable a medir, además, el controlar debe
incluir la información relativa al sistema, (fundamentada en un modelo del sistema),
pues este debe conocer el efecto que tiene la perturbación sobre la variable a controlar.
Esto implica que este controlador no es convencional, sino, particular según el sistema.
A medida que sea mejor el modelo del sistema,
alimentación adelantada.
mejor será el controlador en
En forma general, se puede plantear el siguiente
procedimiento para el diseño del controlador en alimentación adelantada.
d (s)
Perturbación
Proceso
Gd
+
m(s)
Gp
Variable
manipulada
Y(s)
+
Salida del
proceso
FIG 12.10 ESQUEMAS DEL PROCESO SIN CONTROL
En esta figura se muestra un proceso que no tiene ningún esquema de control, por lo que
la salida y(s) será:
y(s) = m(s)Gp + d(s)Gd
Si el valor de referencia deseado para y(s) fuese yref (s) se puede escribir:
Yref (s) = m(s)Gp + d(s)Gd
A partir de esta ecuación se puede encontrar el valor de m(s) (variable manipulada) tal
que,
y(s) = y ref , como:
y
 G
m(s) =  ref − d(s)  ⋅ d
 Gd
 Gp
de aquí que se definirán las siguientes funciones de transferencia
G C (s) =
G d (s)
G p (s)
→
Función de transferencia del controlador en Alimentación
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adelantada.
G ref (s) =
1
G d (s)
→
Función de transferencia del elemento de referencia.
A partir de aquí se puede plantear el Diagrama de Bloques para el esquema planteado:
yref(s)
d (s)
1/Gd
-
+
Gd
Gd/Gp
Proceso
+
Retroalimentación
adelantada
Gp
m(s)
y(s)
+
FIG 12.11 DIAGRAMA DE BLOQUES CON CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA
Si se le añaden las funciones de transferencia del medidor y del elemento final de
control entonces el esquema completo será:
yref(s)
d (s)
Gm
Gm/Gd
-
+
Gd
G pG m
Retroalimentación
adelantada
Gd
Proceso
+
m(s)
Gf
Gp
+
y(s)
Elemento final
de control
FIG 12.12 DIAGRAMA DE BLOQUES CON CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA COMPLETO
RESUMIENDO:
• La señal medida no es la señal controlada
• El controlador no es un controlador convencional (P, PI, PID) sino que depende del
modelo del proceso (Gp, Gd)
• Debido a que no es un modelo perfecto el controlador tendrá allí su mayor debilidad.
Este esquema pareciera perfecto, pues, se adelanta a tomar acciones de control en el
momento en que aparecen perturbaciones, pero, sería necesario identificar todas las
perturbaciones posibles, para así poder implementar tantos lazos como sea necesario, lo
que no es posible. Además, si hubiese algún cambio en un parámetro físico no podrá ser
compensado, pues no sería detectable.
Por todo lo anterior, lo mejor sería introducir un esquema de control que contenga
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alimentación adelantada y retroalimentación a la vez cuyo Diagrama de Bloques se
muestra seguidamente:
Alimentación adelantada
Gm/Gd
yref (s)
-
+
d (s)
Gm2
Gd
Gc2
+
yref (s)
Gc1
+
+
Gf
Gp
+
-
y(s)
Gm1
Retroalimentación Simple
FIG 12.13 DIAGRAMA DE BLOQUES CON CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA
A partir de dicho diagrama se puede obtener:
y = Gp m(m) + GC⋅d(s)
G C2 G m

G p G f  G C1 −
Gd

y(s) =
1 + G p G f G C1 G m1



⋅y
y sustituyendo se tiene:
ref
+
G d − G p G f G C2 G m 2
1 + G p G f G C1 G m1
⋅ d (s)
De allí se observa que la estabilidad del sistema a lazo cerrado depende de la ecuación:
1 + Gp⋅Gf⋅Gc1⋅Gm1 = 0
Siendo esta ecuación dependiente sólo del lazo de retroalimentación, es más,
Gp⋅Gf⋅Gc1⋅Gm1 es la función de transferencia de lazo abierto para el lazo de
retroalimentación. Por lo que se puede concluir que la estabilidad del sistema sólo
depende del lazo de retroalimentación, y no se ve alterada al añadir un lazo de
alimentación adelantada.
12.3 ESQUEMA DE CONTROL DE RELACIÓN:
Se utiliza para controlar la relación entre dos flujos, los dos flujos son medidos, pero
sólo uno es controlado.
Se pueden mostrar dos configuraciones para el control de relación:
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ESQUEMA (a): Se miden ambos flujos y se obtiene su relación, se compara con la
relación deseada (referencia) y se manipula uno de los flujos.
ESQUEMA (b): Se miden ambos flujos, se multiplica el flujo no controlado por la
relación deseada y se utiliza como referencia para un controlador de flujo que
manipulará el otro flujo para obtener el resultado deseado.
Este tipo de esquema es muy utilizado en diferentes procesos químicos como, Relación
entre dos reactantes, relación aire (combustible, etc.)
12.4 ESQUEMA DE CONTROL “OVERRIDE”
Este es un tipo de esquema de control selectivo con el cual es posible controlar más de
una variable teniendo una sola variable manipulada, transfiriendo la acción de control
de un controlador a otro según sea la necesidad. Es utilizado para evitar que algunas
variables puedan alcanzar límites peligrosos, inferiores o superiores, que puedan
perjudicar el buen funcionamiento de una planta. Para ello se utilizan ciertos tipos de
“switches”, el HSS (High Selector Switch) y el LSS (Low Selector Swich), los cuales se
utilizan para evitar que una variable pueda exceder de un valor máximo o mínimo
respectivamente.
Un ejemplo típico para este tipo de esquema de control se puede implementar en una
caldera, donde la presión del vapor de salida es una variable controlada, pero el nivel
del líquido dentro de la caldera debe mantenerse en observación, pues no puede bajar
má allá de un valor mínimo. En la siguiente figura se muestra un esquema de control en
“Override”, en el cual el Lazo I se utiliza para mantener el control sobre la presión de
salida y si el nivel presenta un valor menor al mínimo establecido, el LSS cambia de
esquma de control y pone en funcionamiento el Lazo II, con la intención de controlar el
nivel.
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Otro ejemplo de aplicación para este tipo de esquema de control se presenta en el
sistema de protección de un compresor, en el cual su descarga es controlada con un
sistema de control de flujo en cascada con un control secundario de la velocidad del
motor, tal como se muestra en la siguiente figura. Para prevenir que la descarga
sobrepase ciertos valores de presión se introduce el esquema de control en “Override”
utilizando un HSS (High Switch Selector), que transfiere la acción de control entre el
lazo I y el Lazo II al ocurrir una sobrepresión en la descarga.
12.5 ESQUEMA DE CONTROL “SPLIT-RANGE”
Un esquema de control de este tipo es aquel que teniendo solamente una variable
medida y controlada, puede manipular más de una variable para lograr lo establecido.
Es decir, se controla una sola variable coordinando acciones sobre varias variables, que
tienen el mismo efecto sobre la variable controlada.
A continuación se muestra un ejemplo en el cual se implanta un esquema de control de
este tipo, en el cual se desea mantener controlada la presión de una línea de gas
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producto de la salida de varias calderas. En este caso, se manipulan los flujos de salida
de cada una de las calderas simultáneamente para lograr la presión de salida deseada.
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