Tema 5. Estructuras Avanzadas de control
ÍNDICE:
• Introducción
• Estructuras avanzadas de control
Control de relación (ratio)
Control selectivo
Control con restricciones
Control de gama partida
Control anticipativo
Control en cascada
Control de procesos con grandes tiempo muertos
Tema 5. Estructuras avanzadas de control
1
Introducción
CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL REALIMENTADO
9 VENTAJAS:
•
•
•
•
Produce acción correctora en cuanto existe error
La acción correctora es independiente de la fuentey tipo de la perturbación
Necesita poco conocimiento del proceso a controlar (un modelo aproximado)
El controlador PID es uno de los controladores de realimentación más versátil y robusto
9 DESVENTAJAS:
•
No produce acción correctora hasta que la perturbación se propaga a la variable
controlada
• No es capaz de generar una acción preventiva (aunque las perturbaciones sean
conocidas o se puedan medir)
• En procesos con grandes tiempo muertos, la dinámica del sistema en bucle cerrado no
suele ser aceptable
• En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la realimentación no
puede realizarse
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Introducción
9 A pesar de sus desventajas, la mayoría (> 80%) de las
aplicaciones industriales utilizan bucles de
realimentación simple
9 Para las situaciones en las que el control realimentado
no resulta satisfactorio, es necesario utilizar otras
estrategias para obtener las prestaciones requeridas
9 A estas estrategias, que se combinan con el bucle de
realimentación (no lo sustituyen) se les denomina
estructuras avanzadas de control
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Control de Relación (Ratio)
Objetivo: Mantener la relación entre dos variables a un valor predeterminado
9 Caso particular de control anticipativo, ampliamente utilizado en la
industria de procesos
Aplicaciones:
9 Normalmente las variables son caudales.
9 Mezcla de dos corrientes de distinta composición o Tª, para conseguir
una mezcla de composición o Tª determinadas
9 Relación aire/combustible en el control de la combustión en un horno o
caldera
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Control de Relación (Ratio)
Ejemplo:
9 Mezcla de dos corrientes de proceso
9 Normalmente uno de los caudales sólo se puede medir, no manipular.
Se le denomina caudal de referencia
Objetivo: Mantener la relación entre ambos caudales R=B/A
Alternativas
9 Controlar directamente los dos caudales y ajustar los valores de
consigna a unos valores previamente calculados
9 Medir el caudal de referencia A (no manipulable), multiplicarlo por R, y
hacer B=R*A (punto de consigna del controlador de caudal)
9 Medir ambos caudales, calcular la relación entre ellos (ratio real) y
ajustar la válvula de producto B
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Control de Relación (Ratio)
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
Objetivo: Mantener un relación constante entre los caudales A y B
A(t), m3/h
B(t), m3/h
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Control de Relación (Ratio)
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
FT
1
FC
1
A(t), m3/h
FT
2
FC
2
B(t), m3/h
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Solución: controlar ambos
caudales de forma que los SP
cumplan la relación
Problema: suele ocurrir que
uno de los dos caudales sólo
se puede medir (caudal de
referencia)
7
Control de Relación (Ratio)
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
FT
1
Solución A:
A(t), m3/h
FY
1B
R*A
SP
FT
2
B(t),
FC
2
m3/h
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• medir el caudal de referencia (A)
• SP para FC = R*A
• B=R*A Ganancia constante
∂B
=R
∂A
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Control de Relación (Ratio)
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
FT
1
Solución B:
A(t), m3/h
FY
1B
B/A
RC
1
FT
2
B(t), m3/h
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Controlador
de relación
SP (R)
• medir ambos caudales
• calcular su relación (B/A)
• Controlador PID cuyo SP es el
valor de R deseado
• R=B/A Ganancia no lineal
∂B
B
R
=− 2 =−
∂A
A
A
9
Control Selectivo
Objetivo: Mantener bajo control (entendido como conseguir que no se superen
determinados límites) varias variables de proceso manipulando una sola
variable
9 Varios objetivos de control asociados a un proceso no pueden satisfacerse
simultáneamente
9 No es posible eliminar la desviación en todas ellas a cambios en la carga o
en el punto de consigna
9 Es necesaria alguna estrategia en que las variables controladas puedan
compartir variables manipuladas
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 aportación de
combustible al horno.
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Control Selectivo
Ejemplo: Sistema calentador
gases de
combustión
Horno
SP
TT
1
TC
1
TT
2
TC
2
SP
TT
3
TC
3
SP
Th
TT
4
SP
TC
1
aire
SPMIN
fuel
PT
1
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PC
1
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Control Selectivo
Ejemplo: Sistema calentador
SP
TT
1
TC
1
TT
2
TC
2
SP
TT
3
TC
3
SP
gases de
combustión
Horno
Th
TT
4
SP+bias
TC
1
aire
TY
4
fuel
SPMIN
PT
1
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>max
PC
1
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Control con restricciones a la entrada
9 Se superan los límites del actuador (entrada al proceso)
•
•
•
La variable de control alcanza los límites del actuador
El lazo de realimentación se rompe: elsistema trabaja como en bucle abierto
Consecuencia: transitorios largos y fuertes sobreimpulsos
9 Windup: Saturación del término integral
•
•
Se produce un crecimiento incontrolado del término integral de la señal de control
Se requiere que el error tenga sentido opuesto durante un periodo largo para retornar
al rango de actuación lineal
• Estrategia AW (Anti-Windup): Esquema adicional de compensación. No es exclusivo
del PID
9 Otros métodos de diseño
•
•
•
Basados en técnicas predictivas y teorías de control más avanzadas
Restricciones tomadas en cuenta a priori
Necesidad de modelo
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Control con restricciones a la entrada
ESTRATEGIAS AW: Seguimiento Integral
Modelo actuador
e
+
Kp
Kp/Ti
+
u
ur
-
1/s
+
ew
1/ Tt
Tt
constante de tiempo de seguimiento
9 Lazo extra de realimentación para la acción integral
9 Objetivo: pasar a cero la acción integral en un tiempo no nulo y cuyo valor
depende de Tr.
9 Tr: constante de tiempo de seguimiento
9 Cuanto más pequeña sea Tr, más rápido se resetea el integrador.
9 Los valores aconsejados son Td < Tr < Ti
9 Cuando el actuador no está saturado el lazo extra no produce ningún efecto
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Control con restricciones a la salida
CONTROL OVERRIDE
9 Objetivo: protección para que ciertas variables de interés no superen
determinados límites (restricciones)
9 Estrategia para procesos en que varios reguladores con objetivos diferentes
comparten un mismo actuador
9 Mayor nº de variables controladas que manipuladas
9 La variable manipulada disponible se usa para controlar la variable de mayor
interés
9 Permite cambiar de variable controlada on-line: Varios objetivos de control
asociados a un proceso no pueden satisfacerse simultáneamente
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Control override
Ejemplo: Control del caudal de salida y nivel de un depósito
fe(t)
h2(t)
h(t)
Objetivos:
- flujo constante de líquido al proceso
- evitar desbordamientos del tanque o
que la bomba se descebe
Variables controladas:
- caudal de alimentación al proceso
- nivel del depósito
Única variable manipulada:
- apertura de válvula de salida
SP
h1(t)
FC
2
FT
2
f(t)
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Proceso
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Control override
Ejemplo: Control del caudal de salida y nivel de un depósito
fe(t)
FC2 Controlador de flujo
LC11 Controlador de nivel
FY1B Selector
max (h2)
min (h1)
LT
11
h2(t)
LC
11
h(t)
SP
h1(t)
FY
1B
FC
2
FT
2
f(t)
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Control override
Ejemplo: Control del nivel y del caudal del depósito
9Control realimentado + override
9FC2: controlador por realimentación
• variable controlada: caudal de salida,f(t)
• variable manipulada: apertura de válvula a la salida
9LC11: controlador de nivel
• Punto de consigna :h1 (valor mínimo permitido para el nivel)
• Si el nivel está por encima del mínimo,h(t) > h1(t), el controlador solicita una apertura
de válvula del 100 %
• Sife(t) se corta, el nivel puede bajar por debajo del mínimo haciendo que la bomba
cavite. Solicita el cierre de la válvula
9FY1B: selector de mínimo
• Selecciona la apertura mínima solicitada entreFC2 y LC11
• En condiciones normales el nivel estará por encima del mínimo, por lo que seráFC2 el
que gobierna la válvula
• Cuando el nivel entra en zona restringida,h(t)< h1, FY1B da prioridad a la señal de
LC11, cerrando la válvula para evitar que el tanque se vacíe. Se abandona temporalmente
el objetivo de control de f(t)
9El transmisor de nivel LT enviará la señal también a otro controlador, que deberá cerrar la
válvula de entrada fe(t) si el nivel está por encima del máximo permitido (otro lazo)
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Control de gama partida
9 También denominado control de rango partido
9 Caso en que un regulador puede manipular dos o más actuadores.
Mayor nº de variables manipuladas que controladas
9 Ejemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B
resultante de la reacción.
9 Objetivo: Mantener la presión P del interior del reactor
• Variables manipuladas: válvula de entrada de A y válvula de salida de B
Selector
SP
PT
PT
A
Reactor
V1
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B
V2
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Control de gama partida
Ejemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B
resultante de la reacción
9 La salida del regulador de presión PC va a un selector que se encarga de
distribuir la acción de control entre las dos válvulas V1 y V2
9 La política a seguir está representada en la gráfica:
• A presiones bajas, V1 estaráabierta al 100% y V2 cerrada.
• A altas presiones, V1 estará cerrada y V2 abierta.
• A presiones intermedias, la aberturade cada válvula se determina de la
gráfica
V1
V2
100 %
0%
P
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Control Anticipativo
9 Se utiliza cuando las perturbaciones significativas afectan más directamente a
la variable de salida que se desea controlar
9 Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la salida o de
carga
9 Utiliza la medida de la propia perturbación (o de una variable auxiliar de la
que inferir su valor) para actuar antes de que la perturbación se propague a la
salida
9 Un caso particular es el control de proporción o de relación
D
Gc
SP
+
-
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Gc
Gp
+
PV
21
Control en Cascada
9 Se utiliza cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable
manipulada (en la mayoría de los casos será un caudal de materia o flujo de
energía)
9 Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la entrada
9 Utiliza la medida de variables internas (auxiliares) para detectar rápidamente
el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción correctora
9 Se realiza mediante bucles de realimentación anidados
D
Gc
SP
+
-
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Gc
+
PV
Gp
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Control de procesos con grandes retardos
9 Los tiempos muertos o retardos puros constituyen una parte fundamental de
la dinámica de muchos procesos industriales.
9 Tiempo muerto: es el que transcurre entre el momento en que se produce un
cambio en una variable de entrada y el momento en que el efecto de esa
variación se observa en la variable de salida.
En procesos químicos suele deberse a:
• Tiempo que tarda un fluido o un material en circular de un punto a otro
(retardo distancia-velocidad)
• Mezcla imperfecta en un equipo tipo tanque agitado
• Dónde se coloca el sistema de medida de la variable controlada
9 La realimentación simple resulta insuficiente
9 Con objetor de preservar su estabilidad los lazos resultan lentos
Alternativa:
9 Algoritmos específicos de compensación de tiempos muertos. Son de
carácter predictivos
9 La bondad de los métodos predictivos está en la exactitud del modelo
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