*UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y MANUFACTURERAIng. JORGE COSCO GRIMANEYCONTROLES ELECTRICOS y AUTOMATIZACIONEE - 621Estructuras Avanzadas de Control

TEMASControlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada, Controlador en Cascada.

CARACTERSTICAS DEL CONTROL REALIMENTADOVENTAJAS: Produce accin correctora en cuanto existe error La accin correctora es independiente de la fuente y tipo de la perturbacin Necesita poco conocimiento del proceso a controlar (un modelo aproximado) El controlador PID es uno de los controladores de realimentacin ms verstil y robustoINTRODUCCINDESVENTAJAS: No produce accin correctora hasta que la perturbacin se propaga a la variable controlada No es capaz de generar una accin preventiva (aunque las perturbaciones sean conocidas o se puedan medir) En procesos con grandes tiempo muertos, la dinmica del sistema en bucle cerrado no suele ser aceptable En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la realimentacin no puede realizarse

A pesar de sus desventajas, la mayora (> 80%) de las aplicaciones industriales utilizan bucles de realimentacin simplePara las situaciones en las que el control realimentado no resulta satisfactorio, es necesario utilizar otras estrategias para obtener las prestaciones requeridasA estas estrategias, que se combinan con el bucle de realimentacin (no lo sustituyen) se les denomina estructuras avanzadas de control

Control en Cascada

Control en cascadaSe utiliza cuando las perturbaciones, afectan directamente a la variable del proceso manipulada (en la mayora de los casos ser un caudal de materia o flujo de energa)Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la entradaUtiliza la medida de variables internas auxiliares) para detectar rpidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la accin correctoraSe realiza mediante bucles de realimentacin anidados

Objetivo:Calentar una corriente de proceso, Fe, manipulando el caudal de combustible, Fv, que entra al intercambiador. La cada de presin en la vlvula puede sufrir variaciones. As mismo, el caudal de entrada, Fe, puede fluctuar alrededor de su valor nominal.Variables significativas:Variable de salida o controlada: Temperatura T (C)Variable manipulada o controlada: u (% apertura de la vlvula). Cambia Fv (l/s),caudal de vapor que es la variable de proceso manipulada.Variables de perturbacin:Perturbacin a la entrada: Pa (atm), cada de presin en la vlvula (si Pa vara a la misma apertura de vlvula (u) el caudal Fv ser diferente.Fv es una variable auxiliar que refleja la perturbacin antes de que se propague a la salida y existe una relacin causal entre Fv y la variable de control, u:

Perturbacin 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)

Respuesta a cambios en la presin de suministro de combustible:Si Pa vara, a la misma apertura de vlvula (u), variar Fv (energa aportada) y por tanto, afectar a la temperatura TEl efecto de la perturbacin se traduce en un cambio en T que ser corregido por el controlador de realimentacin modificando la apertura de vlvula, u

D1: perturbacin debida a Pa (con dinmica GD1)D2: perturbacin debida a Fe (con dinmica GD2)El controlador realimentado no rechazar las perturbaciones hasta que su efecto se propague a la salida

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 acta sobre el proceso.Objetivos:Minimizar el efecto de algunas perturbacionesMejorar las prestaciones dinmicas del sistema de controlD(s): perturbacin a la entradaX(s): variable secundaria refleja la perturbacin antes de que se transmita a la salida, tiene relacin causal con U(s)

Ejemplo intercambiador: Plano de control en notacin ISAEl 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

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.

Proceso principal: (TC-Intercambiador) proceso de dinmica ms lenta Proceso secundario (FC-Vapor) proceso de dinmica ms rpida El efecto de las perturbaciones sobre el proceso secundario es controlable Es necesario utilizar ms instrumentacin

Control en Relacin

CONTROL DE RELACIN (RATIO CONTROL)Este tipo de estrategia de control se aplica cuando 2 flujos ingresan a un recipiente y los fluidos estn en relacin tal como se observa en la figuraObjetivo: Mantener la relacin entre dos variables a un valor predeterminadoAplicaciones:Normalmente las variables son caudales.Mezcla de dos corrientes de distinta composicin o T, para conseguir una mezcla de composicin o T determinadasRelacin aire/combustible en el control de la combustin en un horno o caldera

Ejemplo : Sistema de mezcla de corrientes de procesoObjetivo : Mantener un relacin constante entre los caudales A y B

Solucin: controlar ambos caudales de forma que los SP cumplan la relacinProblema: suele ocurrir que uno de los dos caudales slo se puede medir (caudal de referencia)

Control en Rango Dividido

Es un sistema de control en el cual existe una sola variable controlada y dos o ms variables manipuladas, que deben tener el mismo efecto sobre la variable controlada. Para realizar ste sistema se requiere compartir la seal de salida del controlador con los varios elementos finales de control. CONTROL DE RANGO DIVIDIDO (SPLIT - RANGE CONTROL

Ejemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B resultante de la reaccin.Objetivo: Mantener la presin P del interior del reactorVariables manipuladas: vlvula de entrada de A y vlvula de salida de BLa salida del regulador de presin PC va a un selector que se encarga de distribuir la accin de control entre las dos vlvulas V1 y V2La poltica a seguir est representada en la grfica 2: A presiones bajas, V1 estar abierta al 100% y V2 cerrada. A altas presiones, V1 estar cerrada y V2 abierta. A presiones intermedias, la abertura de cada vlvula se determina de la grfica

Control Selectivo

CONTROL SELECTIVO (OVERRIDE CONTROL)Es un sistema que opera para satisfacer restricciones de operacin impuestas a un proceso con fines de proteccin del personal y/o del equipo.Para su aplicacin se requiere ejercer control sobre dos variables de un proceso, relacionados entre s de tal manera que una u otra pueda ser controlada por la misma variable manipulada. Como una variable manipulada solo puede controlarse por una sola accin, debe existir la posibilidad de transferir el mando de uno de los lazos de control al otro cuando las complicaciones de funcionamiento as lo exijan.

A1

Gc1

Gv

Gp

G

D1

H1

Interruptor

Selector

+

-

A2

Gc2

+

-

G

D2

+

+

y1

y2

+

+

B

1

B

2

yre

f 1

yre

f 2

H2

La transferencia del mando se logra conectando la salida de los dos controladores a un switch selector de la ms baja, LSS, de la ms alta, HSS, de dos seales cuya salida esta conectada al elemento final.Dependiendo de las condiciones del proceso, generalmente son usados como proteccin de equipos, usndose llaves de baja (LSS), tal como se muestra en las figuras.En el sistema hay una variable manipulada y cuyo conjunto es seleccionado dependiendo de las condiciones del proceso

Ejemplo: Proceso en el que se calienta un fluido mediante un horno que sirve como fluido calefactor en un tren de intercambiadores. Localmente se controla la temperatura de cada uno de los pasos.La temperatura del fluido calefactor se controla regulando la aportacin de combustible al horno.

Control Anticipatorio

Utiliza la medida de la propia perturbacin (o de una variable auxiliar de la que inferir su valor) para actuar antes de que la perturbacin se propague a la salidaUn caso particular es el control de proporcin o de relacinCONTROL ANTICIPATORIO (Feedforward ) Se utiliza cuando las perturbaciones significativas afectan ms directamente a la variable de salida que se desea controlar. Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la salida o de carga

SISTEMA ANTICIPATORIO

PUNTO DE AJUSTE (r)

VARIABLE MANIPULADORA (m)

PROCESO

CARGA (q)

VARIABLECONTROLADORA(c)

q1

q2

q3

El control anticipatorio puede ser usado para controlar la composicin qumica en un proceso de manufactura. Por ejemplo, la figura muestra como el pH de un material entrando a un tanque de mezclado, puede ser controlado usando un sistema anticipatorio. El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una sustancia, y en el ejemplo el pH ideal es 6,3, pero un rango de 6,2 a 6,.4 es aceptable. Debido a esto, alguna variacin en el pH del material de entrada por encima de 6,4 es una perturbacin a ser corregido con la adicin de cido..El control de pH en este sistema requiere de dos sensores: un instrumento de pH para monitorear el material de entrada, y un sensor de flujo.El controlador anticipatorio es una computadora realizando un clculo complejo, basado en el valor representativo a las variables de perturbacin. La ecuacin anticipatorio determina la cantidad de cido requerido para obtener el pH del valor deseado, basado en los valores medidos de pH y flujo.

Sensor

pH

Sensor

de flujo

Tanque

de acido

Control anticipatoriontrolador

Anticipatorio

Control Adaptativo

El control adaptativo es un mtodo de control en el cual la respuesta de un controlador cambia automticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del proceso. En el grafico, un instrumento monitorea el pH y su salida es transmitida a un controlador adaptativo. Si el pH vara del nivel deseado, el controlador ajusta su repuesta para adicionar ms o menos cido al reactor hasta estabilizar el pH en el rango de 6,2 a 6,4. CONTROL ADAPTATIVO

Sensor pH

Sensor de flujo

Tanque de acido

Control Adaptativo

Control Anticipatorio

Un controlador adaptativo contiene un sistema computarizado que es programada para cambiar la respuesta del controlador cuando un error no es el correcto. El control adaptativo obtiene su nombre de la habilidad del controlador para adaptar su respuesta a las condiciones de cambios. El control adaptativo es tpicamente usado en situaciones donde la ganancia de los procesos no son lineales, como en el control de un pH.Un lazo realimentado con un control adaptativo ha sido aadido para monitorear y controlar el pH, para compensar por cualquier variacin no corregida por el control adaptativo

A

Gc

Gv

Gp

H

Estimador de

los parmetros

del controlador

+

-

D

Y(s)

Variable auxiliar

de proceso

Y ref

Control Predictivo

SISTEMA DE CONTROL PREDICTIVO El Control Predictivo Basado en Modelo, Model (Based) Predictive Control (MBPC o MPC) constituye un campo muy amplio de mtodos de control desarrollados en torno a ciertas ideas comunes e integra diversas disciplinas como control ptimo, control estocstico, control de procesos con tiempos muertos, control multivariable o control con restricciones.Uso explcito de un modelo para predecir la salida del proceso en futuros instantes de tiempo (horizonte). Clculo de las seales de control minimizando una cierta funcin objetivo. Estrategia deslizante, de forma que en cada instante el horizonte se va desplazando hacia el futuro, lo que implica aplicar la primera seal de control en cada instante y desechar el resto, repitiendo el clculo en cada instante de muestreo.Las ideas bsicas en toda la familia de controladores predictivos son:

La sintonizacin es relativamente fcil. Puede ser usado para controlar una gran variedad de procesos, desde aquellos con dinmica relativamente simple hasta otros ms complejos incluyendo sistemascon grandes retardos, de fase no mnima o inestables. Permite tratar con facilidad el caso multivariable. Posee intrnsecamente compensacin del retardo. Resulta conceptualmente simple la extensin al tratamiento de restricciones, quepueden ser incluidas de forma sistemtica durante el proceso de diseo. Es muy til cuando se conocen las futuras referencias (robtica ). Es una metodologa completamente abierta basada en algunos principios bsicos que permite futuras extensiones.El MPC presenta una serie de ventajas sobre otros mtodos, entre las que destacan:

Complejidad en el clculo necesaria para la resolucin de algunos algoritmos.Necesidad de disponer de un modelo apropiado del proceso.El algoritmo de diseo est basado en el conocimiento previo del modelo y esindependiente de este, pero resulta evidente que las prestaciones obtenidas dependern de las discrepancias existentes entre el proceso real y el modelo usado.INCONVENIENTES

Lgica Difusa

LOGICA DIFUSALa lgica difusa o borrosa (Fuzzy logic) descansa en la idea que en un instante dado, no es posible precisar el valor de una variable X, sino tan solo conocer el grado de pertenencia a cada uno de los conjuntos en que se ha participado el rango de variacin de la variable.El grado de pertenencia se cuantifica mediante la funcin de pertenencia f, que normalmente se escoge de una forma trapezoide.Ejemplo de funciones de pertenencia:TB: Temperatura.TM: Temperatura media.TA: Temperatura alta.

Control basado en lgica difusa.La lgica difusa permite incorporar el concepto de incertidumbre o confianza, que integra:1.La imprecisin en la medicin.2.La subjetividad que caracteriza al control lingstico.Dadas las funciones de pertenencia para cada variable medida, el procesamiento de las reglas conduce a conclusiones con factores de confianza. Esto implica:1. Una supervisin inteligente, de que la conclusin acerca de una deteccin o diagnostico se acompaa de un factor de certeza.2. Un control inteligente, en el cual la accin de control puede calcularse como:

PID VS. Control Difuso

PID vs. Control Difuso

*Computacion e Informatica NetWorking IProf. Jorge Cruz********************