UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y MANUFACTURERA
CONTROLES ELECTRICOS y AUTOMATIZACION
EE - 621
Estructuras Avanzadas de Control
TEMAS
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, Controlador en Cascada.
1
Ing. JORGE COSCO GRIMANEY
INTRODUCCIÓN
CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL REALIMENTADO
VENTAJAS:
• Produce acción correctora en cuanto existe error
• La acción correctora es independiente de la fuente y 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
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
 A pesar de sus desventajas, la mayoría (> 80%) de las
aplicaciones industriales utilizan bucles de realimentación
simple
 Para las situaciones en las que el control realimentado no
resulta satisfactorio, es necesario utilizar otras estrategias
para obtener las prestaciones requeridas
 A estas estrategias, que se combinan con el bucle de
realimentación
(no
lo
sustituyen)
estructuras avanzadas de control
se
les
denomina
Control en Cascada
Control en cascada
• Se utiliza cuando las perturbaciones, afectan directamente a la variable del
proceso manipulada (en la mayoría de los casos será un caudal de
materia o flujo de energía)
• Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la entrada
• Utiliza la medida de variables internas auxiliares) para detectar
rápidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción
correctora
• Se realiza mediante bucles de realimentación anidados
Objetivo:
Calentar una corriente de proceso, Fe, manipulando el caudal de combustible,
Fv, que entra al intercambiador. La caída de presión en la válvula puede sufrir
variaciones. Así mismo, el caudal de entrada, Fe, puede fluctuar alrededor de
su valor nominal.
Variables significativas:
Variable de salida o controlada: Temperatura T (ºC)
Variable manipulada o controlada: u (% apertura de la válvula). Cambia Fv
(l/s),caudal de vapor que es la variable de proceso manipulada.
Variables de perturbación:
Perturbación a la entrada: Pa (atm), caída de presión en la válvula (si Pa varía a la
misma apertura de válvula (u) el caudal Fv será diferente.
Fv es una variable auxiliar que refleja la perturbación antes de que se propague a la
salida y existe una relación causal entre Fv y la variable de control, u:
Perturbación 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 presión de suministro de combustible:
Si Pa varía, a la misma apertura de válvula (u), variará Fv (energía aportada)
y por tanto, afectará a la temperatura T
El efecto de la perturbación se traduce en un cambio en T que será corregido
por el controlador de realimentación modificando la apertura de válvula, u
D1: perturbación debida a Pa (con dinámica GD1)
D2: perturbación debida a Fe (con dinámica GD2)
El controlador realimentado no rechazará 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 actúa sobre el proceso.
Objetivos:
Minimizar el efecto de algunas perturbaciones
Mejorar las prestaciones dinámicas del sistema de control
D(s): perturbación a la entrada
X(s): variable secundaria
» refleja la perturbación antes de que se transmita a la salida, » tiene relación causal
con U(s)
Ejemplo intercambiador: Plano de control en notación ISA
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
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 dinámica
más lenta
• Proceso secundario (FC-Vapor) proceso de dinámica más
rápida
» El efecto de las perturbaciones sobre el proceso secundario es
controlable
Control en Relación
CONTROL DE RELACIÓN (RATIO CONTROL)
Este tipo de estrategia de control se aplica cuando 2 flujos ingresan a un recipiente
y los fluidos están en relación tal como se observa en la figura
A
B
D onde : A = 2B
Objetivo: Mantener la relación entre dos variables a un valor predeterminado
Aplicaciones:
Normalmente las variables son caudales.
Mezcla de dos corrientes de distinta composición o Tª, para conseguir una
mezcla de composición o Tª determinadas
Relación aire/combustible en el control de la combustión en un horno o caldera
Ejemplo : Sistema de mezcla de corrientes de proceso
Objetivo : Mantener un relación constante entre los caudales A y B
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)
Control en Rango
Dividido
CONTROL DE RANGO DIVIDIDO (SPLIT - RANGE CONTROL
Es un sistema de control en el cual existe una sola variable controlada y dos o más
variables manipuladas, que deben tener el mismo efecto sobre la variable controlada.
Para realizar éste sistema se requiere compartir la señal de salida del controlador con
los varios elementos finales de control.
DS
P E RT U R B A CIO N
Gd
E L E M E N T O F IN A L
D E C O NT R O L
G v1
Y re f
A JU S T E D E
P A RA M E T RO
As
+
Ys
-
P R OC E S O
Gp
C ON T R OL AD O R
Gc
E L E M E N T O F IN A L
D E C O NT R O L
G v2
S E NS O R
Hs
Ejemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B
resultante de la reacción.
Objetivo: Mantener la presión P del interior del reactor
Variables manipuladas: válvula de entrada de A y válvula de salida de B
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
La política a seguir está representada en la gráfica 2:
• A presiones bajas, V1 estará abierta al 100% y V2 cerrada.
• A altas presiones, V1 estará cerrada y V2 abierta.
• A presiones intermedias, la abertura de cada válvula se determina de la gráfica
Control Selectivo
CONTROL SELECTIVO (OVERRIDE CONTROL)
Es un sistema que opera para satisfacer restricciones de operación impuestas a un
proceso con fines de protección del personal y/o del equipo.
Para su aplicación se requiere ejercer control sobre dos variables de un proceso,
relacionados entre sí 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 acción, debe existir la posibilidad de transferir el mando de uno de los
lazos de control al otro cuando las complicaciones de funcionamiento así lo exijan.
H1
-
y re
+
A1
f
G D1
B
1
+
G c1
1
In terru p tor
S elector
Gv
Gp
y re
A2
f
y1
+
2
+
G c2
+
-
B
2
G D2
H2
y2
+
La transferencia del mando se logra conectando la salida de los dos
controladores a un switch selector de la más baja, LSS, ó de la más
alta, HSS, de dos señales cuya salida esta conectada al elemento final.
Dependiendo de las condiciones del proceso, generalmente son usados
como protección de equipos, usándose llaves de baja (LSS), tal como
se muestra en las figuras.
VA POR
LINEA DE DES CA RGA
HSS
PC
M A LL A 1
MALLA 1
M ALLA 1
PC
PT
HE RV IDOR
SC
PT
M A LLA 2
LT
LC
LS S
PT
PC
GAS DE
ENTRADA
AGUA
G A S D E S A LIDA
M OTOR
S C C O N T R O L DE V E L O C ID A D E S
GAS ES CALIENTE S
COM PRES OR
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 aportación de combustible
al horno.
Control Anticipatorio
CONTROL ANTICIPATORIO
(Feedforward )
Se utiliza cuando las perturbaciones significativas afectan más directamente
a la variable de salida que se desea controlar. Este tipo de perturbaciones
se denominan perturbaciones a la salida o de carga
PUNTO DE
A JU S T E (r)
S IS T E M A
A N T IC IP A T O R IO
V A R IA B LE
M A N IP U LA D O R A (m )
V A R IA B LE
C O N T R O LA D O R A
(c)
C A R G A (q )
q1
q2
PROCESO
q3
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
Un caso particular es el control de proporción o de relación
El control anticipatorio puede ser usado para controlar la composición química 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 variación en el
pH del material de entrada por encima de 6,4 es una perturbación a ser corregido
con la adición de ácido..
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 cálculo
complejo, basado en el valor
representativo a las variables de
perturbación. La ecuación anticipatorio
determina la cantidad de ácido
requerido para obtener el pH del valor
deseado, basado en los valores
medidos de pH y flujo.
C ontrol
Anticipatorio
anticipatorio
ntrolador
T anque
de acido
S ensor
pH
S ensor
de flujo
Control Adaptativo
CONTROL ADAPTATIVO
El control adaptativo es un método de control en el cual la respuesta de un
controlador cambia automáticamente basado en los cambios de las condiciones
dentro del proceso.
C on trol An tic ip atorio
C on trol Ad ap tativ o
T an q u e d e
ac id o
S en s or p H
S en s or d e flu jo
En el grafico, un instrumento monitorea el pH y su salida es transmitida a un
controlador adaptativo. Si el pH varía del nivel deseado, el controlador ajusta su
repuesta para adicionar más o menos ácido al reactor hasta estabilizar el pH en el
rango de 6,2 a 6,4.
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 típicamente
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 añadido para monitorear y
controlar el pH, para compensar por cualquier variación no corregida por el control
adaptativo
Variable au xiliar
Estim ador d e
los parám etros
del controlador
de proc eso
D
+
Y ref
A
Gc
Gv
-
H
Gp
Y(s)
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 métodos de
control desarrollados en torno a ciertas ideas comunes e integra diversas
disciplinas como control óptimo, control estocástico, control de procesos
con tiempos muertos, control multivariable o control con restricciones.
Las ideas básicas en toda la familia de controladores predictivos son:
 Uso explícito de un modelo para predecir la salida del proceso en
futuros instantes de tiempo (horizonte).
 Cálculo de las señales de control minimizando una cierta función
objetivo.
 Estrategia deslizante, de forma que en cada instante el horizonte se
va desplazando hacia el futuro, lo que implica aplicar la primera señal
de control en cada instante y desechar el resto, repitiendo el cálculo
en cada instante de muestreo.
El MPC presenta una serie de ventajas sobre otros métodos, entre las que
destacan:
 La sintonización es relativamente fácil.
 Puede ser usado para controlar una gran variedad de procesos, desde
aquellos con dinámica relativamente simple hasta otros más complejos
incluyendo sistemas
 con grandes retardos, de fase no mínima o inestables.
 Permite tratar con facilidad el caso multivariable.
 Posee intrínsecamente compensación del retardo.
 Resulta conceptualmente simple la extensión al tratamiento de
restricciones, que
 pueden ser incluidas de forma sistemática durante el proceso de diseño.
 Es muy útil cuando se conocen las futuras referencias (robótica ).
 Es una metodología completamente abierta basada en algunos
principios básicos que permite futuras extensiones.
INCONVENIENTES




Complejidad en el cálculo necesaria para la resolución de algunos algoritmos.
Necesidad de disponer de un modelo apropiado del proceso.
El algoritmo de diseño está basado en el conocimiento previo del modelo y es
independiente de este, pero resulta evidente que las prestaciones obtenidas
dependerán de las discrepancias existentes entre el proceso real y el modelo
usado.
Lógica Difusa
LOGICA DIFUSA
• La lógica 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 variación de la
variable.
• El grado de pertenencia se cuantifica mediante
la función de pertenencia f, que normalmente
se escoge de una forma trapezoide.
• Ejemplo de funciones de pertenencia:
TB: Temperatura.
TM: Temperatura media.
TA: Temperatura alta.
Logica
Clasico
Difuso
Manipulacion simbolica
Manipulacion simbolica y calculos numericos
Razonamiento Exacto
Razonamiento Aproximado
Logica difusa
Probabilidad
Cuantos elem entos?
Cardinal
Posibilidad
Donde estan las fronteras
Control basado en lógica difusa.
La lógica difusa permite incorporar el concepto de
incertidumbre o confianza, que integra:
1. La imprecisión en la medición.
2. La subjetividad que caracteriza al control lingüístico.
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 supervisión inteligente, de que la conclusión acerca de
una detección o diagnostico se acompaña de un factor de
certeza.
2. Un control inteligente, en el cual la acción de control puede
calcularse como:
U 
 d iu i
 di
PID VS. Control Difuso
PID vs. Control Difuso
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CONTROL AVANZADO - Ing. Jorge Cosco Grimaney