05 Estructuras Avanzadas de Control 02
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Estructuras Avanzadas de ControlParte 2Instrumentación Industrial II
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
ÍNDICE:
• Características del control realimentado.• Estructuras avanzadas de control.• Perturbaciones a la entrada: control en cascada.• Perturbaciones a la salida: control anticipativo.• Control de procesos con grandes tiempo muertos:
el Predictor de Smith.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
Estudiar como minimizar el efecto de las perturbaciones significativas cuando la respuesta del bucle simple no es satisfactoria
Minimizar el efecto de perturbaciones a la entrada: control en cascada
Minimizar el efecto de perturbaciones a la salida: controlador anticipativo
Control de procesos con grandes tiempos muertos: el Predictor de Smith
OBJETIVOS:
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
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.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
• 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
Características del control realimentado:
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
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) se las denomina estructuras avanzadas de control.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
CONTROL EN CASCADASe utiliza cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable de 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.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
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.
BUCLE SIMPLE DE CONTROL DE TEMPERATURA
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)
BUCLE SIMPLE DE CONTROL DE TEMPERATURA
BUCLE SIMPLE DE CONTROL DE TEMPERATURA
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.
BUCLE SIMPLE DE CONTROL DE TEMPERATURA
Diagrama de Bloques
El controlador realimentado no rechazará las perturbaciones hasta que su efecto se propague a la salida
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
Control en cascada:
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.
CONTROL EN CASCADADiagrama de Bloques
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)
CONTROL EN CASCADAEjemplo: Intercambiador de Calor
Plano de control (en notación ISA simplificada)
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.
CONTROL EN CASCADA
En el diagrama de bloques del intercambiador se puede apreciar claramente como 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.• Es necesario utilizar más instrumentación.
Diagrama de Bloques
CONTROL EN CASCADACriterios de diseño:
Es aconsejable cuando se cumplen las siguientes condiciones:
El bucle simple no da una respuesta satisfactoria (proceso de dinámica lenta, tiempo muerto grande en relación a la constante de tiempo, sometido a perturbaciones significativas, ...)
Existe una variable secundaria, X(s), medible a costo razonable, que satisface las siguientes condiciones:
• Debe indicar la existencia de una perturbación importante• Debe existir una relación causal entre la variable manipulada y la variable
secundaria • La dinámica de la variable secundaria debe ser más rápida que la de la
variable primaria De esta forma, el bucle interno controla la variable secundaria antes de que el efecto de la perturbación se propague a la variable primaria (variable controlada) de forma significativa
CONTROL EN CASCADASintonía:primero se ajustan los parámetros del controlador secundario. Posteriormente, con el bucle secundario cerrado, se ajustan los del controlador primario.
PASOS:
1. SINTONÍA DEL BUCLE SECUNDARIO
Obtener un modelo de la parte del proceso incluida en el secundario(modelo de conocimiento o modelo experimental)
Sintonizar el controlador secundario por cualquiera de los métodos conocidos (normalmente se utiliza un PI ya que el secundario debe ser un bucle rápido)
2. SINTONÍA DEL BUCLE PRIMARIO
Obtener un modelo de la variable controlada a cambios en el punto de consigna del controlador secundario (con el bucle secundario cerrado)
Sintonizar el controlador primario por alguno de los métodos conocidos
CONTROL EN CASCADASintonía (Diagrama de Bloques):
Sintonizar primero los bucles interiores, luego los exteriores
En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que un bucle simple
Si un bucle está en modo manual, todos los externos a él también deben estar en modo manual
CONTROL EN CASCADA
Control en Cascada (Temperatura-Presión)
El bucle secundario (PC) controla la presión en el interior del tanque. De esta forma se pueden corregir más perturbaciones (todas las que afectan a la presión y, posteriormente a la temperatura) de forma más eficaz.
CONTROL EN CASCADA
El regulador externo (temperatura-TC) fija la consigna del regulado interno (presión-PC) cuyo objetivo es corregir el efecto de las perturbaciones (por ejemplo, variaciones en la caída de presión en la válvula) sobre la presión en el interior del tanque (Ps) antes de que afecten de forma significativa a la temperatura T.
Diagrama de Bloques
Control de Nivel
CONTROL EN CASCADA
Respuesta a cambios de la presión en la línea de descarga: afecta al nivel en el tanque (h) y será corregido por el regulador modificando u
Control en Cascada (Nivel – Caudal)
CONTROL EN CASCADA
El regulador externo (nivel-LC) fija la consigna del regulador interno (caudal-FC), cuyo objetivo es corregir las perturbaciones sobre el caudal F antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito.
Diagrama de Bloques
CONTROL EN CASCADA
El regulador externo (nivel-LC) fija la consigna del regulador interno (caudal-FC), cuyo objetivo es corregir las perturbaciones sobre el caudal F antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito.
Control de Temperatura de un Reactor
CONTROL EN CASCADA
Respuesta a cambios en la temperatura del refrigerante, Ti, afecta a la T del reactor y, por lo tanto, a la reacción. Este fenómeno será corregido por el regulador modificando la apertura de la válvula, u, y por tanto el caudal de refrigerante.
Control en Cascada (Temperatura – Temperatura)
CONTROL EN CASCADA
El regulador externo (Entrada al Reactor) fija la consigna del regulador interno (Control de la Válvula) cuyo objetivo es corregir las perturbaciones que afectan a Tr antes de que afecten significativamente a la temperatura T
Diagrama de Bloques
CONTROL EN CASCADA
El regulador externo (temperatura en el interior - TC1) fija la consigna del regulador interno (temperatura de la camisa - TC2) cuyo objetivo es corregir las perturbaciones que afectan a Tr antes de que afecten significativamente a la temperatura T .
Control completo de un reactor
CONTROL EN CASCADA
Se utiliza cuando las perturbaciones significativas afectan directamente a la variable de salida que se desea controlar.
Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la salida ó de carga.
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
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
Campo de Aplicación:
Se utiliza cuando las perturbaciones afectan de forma significativa a la variable controlada (y no existe una variable de proceso intermedia que refleje la perturbación y a la que también afecte la variable de proceso manipulada).
Objetivo:
Detectar la perturbación y actuar sobre el proceso adelantándose al efecto que producen sobre la variable controlada.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
• Para poder actuar de forma anticipada es necesario conocer como se comporta el proceso a cambios en la variable de perturbación (modelo de perturbación).
• EL controlador anticipativo se diseña a partir de dicho modelo.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
F(s): Perturbación o variable auxiliar que la refleja. El controlador anticipativo mide dicha variable detectando la perturbación antes de que se propague a la salida.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLPerturbaciones a la salida: Diagrama de bloques
Diseño:
𝑇𝑚 (𝑠 )=(𝐺𝐷 (𝑠 )+𝐺𝐹𝑇 (𝑠 ) ∙𝐺𝐹𝐹 (𝑠 ) ∙𝐺𝑃 (𝑠 )) ∙𝐹 (𝑠)
Para asegurar que se elimine el efecto de variaciones en F(s), se debe verificar que:
= 0
⇒𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐺𝐷 (𝑠)
𝐺𝐹𝑇 (𝑠) ∙𝐺𝑃(𝑠)
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
• El controlador anticipativo depende de los modelos del proceso a las entradas de control y perturbación
• Esta estructura funcionaría correctamente si:
No existen otras perturbaciones No existen errores de modelado La medida no introduce errores
• Por ello normalmente se combinan las dos técnicas: control anticipativo + control realimentado
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
Diseño:
Control Anticipativo:
Teóricamente es un control perfecto, ya que no espera a que la perturbación afecte a la variable controlada para actuar
En la práctica no lo es ya que:• No es posible medir todas las perturbaciones (las que no se miden no se
compensan)• Los modelos son aproximados y simples• La acción de control necesaria puede ser irrealizable (más ceros que
polos o adelanto puro) Por todo ello, se suele combinar con el control realimentado Se utiliza control anticipativo para las perturbaciones medibles más
significativas (las más frecuentes y de mayor magnitud) El control realimentado se encarga de compensar las perturbaciones que no
se miden y las imperfecciones inherentes al control anticipativo
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo + Realimentado:
𝑇𝑚(𝑠)𝐹 (𝑠) =
𝐺𝐷 (𝑠 )+𝐺𝐹𝑇 (𝑠)𝐺𝐹𝐹 (𝑠)𝐺𝑃(𝑠)1+𝐺𝐶 (𝑠)𝐺𝑃(𝑠)
𝑇𝑚(𝑠)𝑇 𝑟 (𝑠 )
=𝐺𝐶 (𝑠)𝐺𝑃(𝑠)
1+𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺𝑃 (𝑠)
El polinomio característico es el mismo. El controlador anticipativo no afecta la estabilidad del sistema en bucle cerrado
⇒𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐺𝐷(𝑠 )
𝐺𝐹𝑇 (𝑠)𝐺𝑃(𝑠)
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo + Realimentado:
• El controlador anticipativo mide cambios en la temperatura de entrada, generando una componente de control que los compensa.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLCascada Temperatura-Presión + anticipativo de Te
• Aspectos prácticos de implementaciónSupóngase que se dispone de modelos POMTM para
𝐺𝑃 (𝑠 )=𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠𝑒−𝑡𝑚𝑃 𝑠𝐺𝐷 (𝑠)=
𝐾𝐷
1+𝑇 𝐷𝑠𝑒− 𝑡𝑚𝐷 𝑠
𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐾𝐷
𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠1+𝑇 𝐷𝑠
𝑒−( 𝑡𝑚𝐷 −𝑡𝑚𝑃 )𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
• Aspectos prácticos de implementación. Casos:o Si la perturbación tarda más que el control en afectar a la salida
presenta un retardo puro.o Si la perturbación afecta a la salida más rápidamente que el
control presenta un adelanto puro. (Físicamente irrealizable)o Si es pequeño frente a las constantes de tiempo, se puede anular
y se convierte en una red de adelanto-retraso (calidad de control aceptable, minimiza el efecto de la perturbación).
𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐾𝐷
𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠1+𝑇 𝐷𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
• Salida del controlador anticipativo compuesto por una ganancia y un bloque Lead-Lag
𝐺𝐹𝐹 (𝑠 ) r(t) m(t) 𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=
𝜏𝑃 𝑠+1𝜏𝐷𝑠+1
Respuesta al escalón unitario:
𝑚 (𝑡 )=1+𝑇 𝑃 −𝑇 𝐷
𝑇 𝐷𝑒
− 𝑡𝑇𝐷
0<𝜏𝑃<𝜏𝐷0<𝜏𝐷<𝜏 𝑃
Cero dominante
Polo dominante
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo:
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo: Red de Adelanto – Retraso: Relación
𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐺𝐷(𝑠)
𝐺𝐹𝑇 (𝑠) ∙𝐺𝑃 (𝑠)
Caso 1: Modelos de primer orden 𝐺𝑃 𝑦 𝐺𝐷
𝐺𝑃 (𝑠 )=𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠𝐺𝐷 (𝑠 )=
𝐾𝐷
1+𝑇 𝐷𝑠
Controlador ideal(red adelanto-retraso) 𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−
𝐾𝐷
𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠1+𝑇 𝐷𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLDiseño de control anticipativo según tipo de modelo:
Caso 2: modelo POMTM y Modelo de primer orden
𝐺𝑃 (𝑠)=𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠𝑒−𝑡𝑚𝑃 𝑠𝐺𝐷 (𝑠 )=
𝐾𝐷
1+𝑇 𝐷𝑠
𝐺𝐹𝐹 (𝑠)=−𝐾𝐷
𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠1+𝑇 𝐷𝑠
𝑒𝑡𝑚𝑃 𝑠Controlador ideal(Físicamente irrealizable)
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLDiseño de control anticipativo según tipo de modelo:
𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐺𝐷(𝑠)
𝐺𝐹𝑇 (𝑠) ∙𝐺𝑃 (𝑠)
• Físicamente irrealizable ya que es un elemento predictivo
Aproximación: Eliminar el adelanto y ajustar sobre el proceso las constantes de tiempo de la red.
Controlador aproximado: 𝐺𝐹𝐹 (𝑠)=−𝐾𝐷
𝐾 𝑃
1+𝑇 𝑃 𝑠1+𝑇 𝐷𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLDiseño de control anticipativo según tipo de modelo:
Caso 3: más polos que
𝐺𝑃 (𝑠 )=𝐾 𝑃
(1+𝑇 𝑃 1𝑠 )(1+𝑇 𝑃 2 𝑠)𝐺𝐷 (𝑠 )=
𝐾𝐷
1+𝑇 𝐷𝑠
𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐾𝐷
𝐾 𝑃
(1+𝑇 𝑃 1𝑠)(1+𝑇 𝑃 2𝑠)1+𝑇 𝐷(𝑠)
Controlador ideal(Físicamente irrealizable)
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLDiseño de control anticipativo según tipo de modelo:
𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐺𝐷(𝑠)
𝐺𝐹𝑇 (𝑠) ∙𝐺𝑃 (𝑠)
• Físicamente irrealizable ya que tiene más ceros que polos
Aproximación: Usar una red de adelanto-atraso, donde la constante de tiempo de adelanto es la suma de las constantes de tiempo del controlador ideal.
Controlador aproximado: 𝐺𝐹𝐹 (𝑠 )=−𝐾𝐷
𝐾 𝑃
1+(𝑇 𝑃 1+𝑇 𝑃 2)𝑠1+𝑇 𝐷𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLDiseño de control anticipativo según tipo de modelo:
Reglas básicas: Combinado con bucle de realimentación simple cuando éste no
responde satisfactoriamente a perturbaciones en la salida. Se dispone de una variable anticipativa que se puede medir y
verificar:o Indica la presencia de perturbación importante (existe relación
causal entre las variables de perturbación y anticipativa).o Es insensible a otras posibles perturbaciones.o No existe relación causal entre la variable manipulada y la
variable anticipativa. La dinámica del proceso respecto a la perturbación debe ser más
lenta que la del proceso respecto a la entrada de control (si se utiliza en combinación con control realimentado).
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl Anticipativo: Criterios de diseño
• Control Anticipativo • Control RealimentadoDesventajas:
No elimina Sensor y modelo para cada
perturbación Puede dar lugar a un controlador
físicamente irrealizable.
Desventajas:
No hay actuación hasta que no se produce el error
Afecta a la estabilidad Respuesta no satisfactoria si
y son grandes.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLEl control realimentado y el control anticipativo son
complementarios
El Predictor de SMITH: Sea un proceso cuya función de transferencia posee un tiempo muerto
elevado con relación a la constante de tiempo dominante del proceso.
Suponga que se desea controlar este proceso con un bucle de realimentación simple con control puramente proporcional.
Como ya se vio, cuanto mayor es el tiempo muerto más decrece la fase de por lo que el margen de fase puede hacerse negativo para valores altos de la ganancia del controlador.
Por lo tanto, la sintonía de un controlador PID por los métodos estudiados en la Teoría de Control, dará lugar a valores bajos de la ganancia y valores altos del tiempo integral, lo que da lugar a respuestas lentas con baja capacidad de rechazo a perturbaciones.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl de Procesos con grandes tiempos muertos:
El Predictor de SMITH:
• Ejemplo: Sea un proceso calentador de agua, donde se ha identificado la función de transferencia a un cambio en el % de apertura de la válvula.
• El retardo puro se debe a la ubicación del sensor y a la mezcla no perfecta.• Sintonía PID mediante Ziegler-Nichols en bucle abierto:
• Debido al retardo es baja y alta, lo que produce respuesta lenta.
𝐺𝑃 (𝑠 )=∆𝑇 (% 𝑎𝑙𝑐𝑎𝑛𝑐𝑒𝑑𝑒𝑙𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 )
∆ 𝑋 (% 𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑒𝑙𝑎𝑣 á 𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎)=
𝑒−20𝑠
1+10𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl de Procesos con grandes tiempos muertos:
• La temperatura no evoluciona hasta que transcurre un tiempo igual a • A partir de ahí lo hace lentamente hasta alcanzar el nuevo punto de consigna
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl de Procesos con grandes tiempos muertos:
El Predictor de SMITH:Objetivo: Extraer el del bucle de control, utilizando la predicción de la salida
para la realimentación.
𝐺𝐵𝐶 (𝑠 )=𝑇 (𝑠 )𝑅 (𝑠 )
=𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺 (𝑠)
1+𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺(𝑠)𝑒−𝑡𝑚 𝑠
• En este ejemplo podría ubicarse el sensor a la salida del tanque.• Esto no siempre es posible. Por ejemplo, cuando el retardo está asociado a la
propia medida (cromatógrafo).• En tal caso se hace una predicción del valor que tendrá la salida en unidades
de tiempo. Para ello se utiliza el modelo sin retardo de tiempo:
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl de Procesos con grandes tiempos muertos:
El Predictor de SMITH:Objetivo: Extraer el del bucle de control, utilizando la predicción de la salida para la realimentación.
• En tal caso se hace una predicción del valor que tendrá la salida en unidades de tiempo. Para ello se utiliza el modelo sin retardo de tiempo:
• La función de transferencia es la misma que antes si .• Constituye un sistema de control en bucle abierto si está sometida a
perturbaciones, no es capaz de rechazarlas.
Modelo del proceso
𝐺𝑅−𝑇 (𝑠 )=𝑇 (𝑠)𝑅 (𝑠)=
𝐺𝐶 (𝑠)𝐺 (𝑠)1+𝐺𝐶 (𝑠)𝐺𝑚(𝑠) 𝑒
−𝑡𝑚 𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROLControl de Procesos con grandes tiempos muertos:
Para compensar las perturbaciones, se realimenta el error de predicción.
𝐺𝐵𝐶 (𝑠 )=𝑇 (𝑠)𝑅(𝑠)=( 𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺(𝑠)
1+𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺 (𝑠 )𝑒−𝑡𝑚 𝑠+𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺𝑚 (𝑠 ) −𝐺𝐶(𝑠)𝐺𝑚 (𝑠 )𝑒−𝑡𝑚 𝑠 )𝑒− 𝑡𝑚 𝑠
Si Modelo Perfecto
𝐺𝐵𝐶 (𝑠 )=𝑇 (𝑠)𝑅(𝑠)
=( 𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺 (𝑠)1+𝐺𝐶 (𝑠 )𝐺𝑚 (𝑠 ) )𝑒−𝑡𝑚 𝑠
• se sintoniza como si el sistema no tuviera tiempo muerto
• La salida se realimenta las ⇒perturbaciones se rechazan
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
• Ejemplo caldera: Sintonía del Predictor de Smith.
𝐺 (𝑠 )𝑒−𝑡𝑚 𝑠= 11+10𝑠 𝑒
−20𝑠⇒𝑡𝑚𝑇 𝑃
=2
• Se selecciona un controlador PI, ya que el sistema sin retardo es un bucle rápido.
• Una estrategia típica es utilizar el cero del PI para cancelar el polo dominante del proceso. En este caso
• Con este controlador y suponiendo modelo perfecto:
𝐺𝐶 (𝑠 )=𝐾𝐶 [1+ 1𝑇 𝑖𝑠 ]=𝐾𝐶
𝑇 𝑖
1+𝑇 𝑖𝑠𝑠
𝐺𝐵𝐶 (𝑠 )= 1
1+10𝐾𝐶
𝑠𝑒− 20 𝑠
• Ahora supóngase que se quiere reducir la constante de tiempo del proceso a la mitad o sea:10𝐾𝐶
=5⇒𝐾𝐶=2 𝑦 𝑇 𝑖=10 𝑠
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
𝐺 (𝑠 )= 11+2𝑠 𝑒
− 2𝑠
𝑃𝐼 𝑍𝑁 ;𝐾𝐶=0.9 ;𝑇 𝑖=6.66
𝑃𝐼+𝑝𝑟𝑒𝑑𝑖𝑐𝑡𝑜𝑟 ;𝐾𝐶=2;𝑇 𝑖=2
El PI se elige para cancelar el polo del proceso y Kc para que la constante de tiempo disminuya por dos.
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
Anexos
Ejemplos industriales
FT FCFF
FCFT
PT PC
AireGas
Humos
Vapor
LC LT
Caldera de vapor 01
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
FT FCFF
FCFT
PT PC
AireGas
Humos
Vapor
LT
AT
LC
AC
LL
HL
>
<
O2
Control de una Caldera de vapor 02
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
FT FCFF
FCFT
PT PC
Aire
Gas
Humos
Vapor
LC
LT
AT
FT FC
FT
AC
LL
HL
>
<
O2AT
HS
CO
Control de una Caldera de vapor 02
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
AT Comp.
Refrigerante
Producto
TC
TT
Tr
TC
TTi
q
AC
Temp Reactante B
LC
LT
FTFC
FF
Reactante A
Control de un Reactor 01
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
AT
Comp.
Refrigerante
Producto
TC
TT
Tr
TC
TTi
q
AC
Temp Reactante B
LC
LT
FTFC
FF
Reactante A
Control de un Reactor 02
Si hay cambios fuertes de composición en A o B no medibles
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
FT FC
FT FC
FT FC
SC
PT
ST
PC
Aire
w
CompresorMotor
Las demandas variables de cada usuario obligan a fijar w continuamente en el valor mas alto previsible
Control de una red de aire comprimido 01
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
FT FC
FT FC
FT FC
SC
PT
ST
PC
Aire
w
CompresorMotor
HSVPC
90%
VPC: Valve position control
Control de una red de aire comprimido 02
La presión se ajusta automáticamente para que la válvula mas abierta lo esté al 90%
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL
Columna de destilación binaria
ESTRUCTURAS AVANZADAS DE CONTROL