Serie 11

Sistemas de controlms elaborados

Sistemas de control ms elaborados

Se utilizan cuando los lazos de control convencionales no son suficientementeapropiados, debido a dificultades como procesos con grandes constantes de tiempo, perturbaciones frecuentes ingresando en diferentes puntos del proceso, variables que presentan variaciones y que pueden medirse pero no pueden ser controladas, relaciones que deben mantenerse entre variables no conectadas en forma directa. Es posible que en casos particulares se presenten otros tipos de dificultades de las mencionadas, o que ellas aparezcan combinadas. Los sistemasde control ms elaborados de mayor utilizacin son:1.- Control de relacin2.- Control en cascada3.- Control anticipatorio (feedforward)

Control de relacinTambin llamado cascada en lazo abierto. Busca asegurar que dos ms caudales mantenganla misma relacin an cuando los mismos cambien. Es usado en aplicaciones como mezclascon una composicin definida (neutralizacin de efluentes cidos, mezclas aire/gas) con propiedades fsicas especificadas.El caudal controlado (FIC-102) aumenta disminuye para mantener la relacin correcta con el caudal libre. El caudal libre (FT-101) no es controlado por el lazo. El caudal controladoes controlado por el lazo. El valor deseado para el controlador es igual al valor medido del caudal libre multiplicado por un valor definido en la estacin de relacin (FF-102). Ese valor puede ser fijo ajustado por el operador.

Caudal libre

Caudal controlado

Caudal mezclado

Valordeseadoremoto

Control de relacin

El controlador del lazo de caudal controlado puede tomarse como el controlador secundarioen una cascada con la medicin del caudal libre y la estacin de relacin. Si se mide alguna propiedad fsica del caudal mezclado, puede cerrarse un lazo usando un controlador PID para manipular el valor de la relacin.Por ejemplo, una medicin de la densidad, ndice de octano, color, etc., podra usarse paracerrar una lazo de control sobre la relacin.

PVCC

PVCC

GGGGHGGGGH

sG211

211

1)(

+=

FC-102 VLV PROCFF-102

FT-102

FT-101 GV GPH1 GC2GC1

H2

r c

-

+

H1: FT-101 H2: FT-102

GC1: FF-102 GC2: FIC-102

Control de relacinLa seal del analizador AT-103 va al controlador AIC-103. La salida de ese controlador es la relacin deseada. Para ajustar manualmente la relacin, se pone el controlador AIC-103 en modo manual y se ajusta manualmente su salida.En este caso el sistema en cascada es de tres niveles. El caudal controlado, FIC-102, es el controlador secundario. La relacin, FF-102, es el controlador primario del FIC-102, pero el controlador secundario del AIC-103, que es el controlador primario de nivel superior.

Caudal libre

Caudal controlado

Caudal mezclado

Valordeseadoremoto

AT103

Control en cascada

Es un sistema de control ms elaborado, donde la idea bsica es realimentar variables intermedias entre el punto donde entra la perturbacin y la salida.El control en cascada se utiliza principalmente para eliminar el efecto de perturbaciones en la variable manipulada y mejorar las caractersticas dinmicas de lazos de control en procesos compuestos por subprocesos.Bsicamente el esquema de control en cascada involucra un lazo de contol(interno o secundario) dentro de otro (externo o primario). La estructura del esquema muestra un controlador primario el lazo primario y un controlador secundario en el lazo secundario.El objetivo del lazo secundario es atenuar el efecto de la perturbacin antes de que llegue a afectar significativamente la variable de salida. Para que el sistema sea lo mas insensible posible a las perturbaciones, es necesario que el lazo secundario sea ms rpido que el primario. Esto es, la suma de las constantes de tiempo del lazo secundario debe ser menor que la suma de las constantes de tiempo del lazo primario.

Control en cascada

H1

GU1GU2

GP1GP2GVGC2GC1

H2

H1

U2U1

cr

-

+ + ++

++

-

11222

221

12

2

11221

12

2

11

1

HGHGGG

GGGG

GGUc

HGGGGGGG

Uc

PPVC

PVCC

PU

CC

PPVCC

PU

SC

++

=

+=

11222

221

1

1

11221

1

1

11

1

HGHGGG

GGGG

GUc

HGGGGGG

Uc

PPVC

PVCC

U

CC

PPVCC

U

SC

++

=

+=

Velocidad de respuesta

11

11

11

1)(

22

2

22

22

222

22

2

22

2

22

++

+=

++=

++

+=

sKK

TKK

KK

KKsTKK

sTKK

sTKK

sG

PC

P

PC

PC

PCP

PC

P

PC

P

PC

12 == HGV 122

2+

=

sTKG

P

PP

Analizando los elementos del lazo secundario, se tiene:

22 CC KG =Ejemplo:

22

222 1 PC

PCL KK

KKK+

=

22

22 1 PC

PL KK

TT+

=

22 PL KK > 22 PL TT 0, y nuevamente se llega al mismo inconveniente que en a.Con estas dos ltimas consideraciones, el controlador era fsicamente irrealizable, porque requera el conocimiento de los valores que r y u asumirn en el futuro. Esto es, por supuesto, imposible de predecir en forma exacta. Con los actuales sistemas basados en computadoras es posible realizarlo. El control feedforward provee un poderoso esquema de control, especialmente para el rechazo de perturbaciones. En ciertos procesos, el modelado es imperfecto y/o la construccin de GFF es demasiado complicada. Entonces, se utiliza la unidad conocida como adelanto-atraso (lead/lag), que provee un razonable desempeo como controlador feedforward para casos sencillos.

Compensador Lead / Lag con retardo

s

P

PP e

sTKG

+=

1s

U

UU e

sTKG

+=

1

s

U

PFF

s

P

P

U

UFF e

sTsTKe

KsT

sTKKG

+

+=

+

+=

111

1)(

El primer trmino representa la ganancia del compensador feedforward.El segundo trmino es el compensador dinmico, conocido como unidad de adelanto / atraso o lead / lag.El tercer trmino se puede considerar como un compensador de retardo puro.Si y sean aproximadamente iguales, esta ecuacin se transforma en un lead/lag puro. Ajustando KFF y las constantes de tiempo, es posible obtener una aceptable aproximacin del controlador feedforward exacto.

Entonces:

KHG FFV =

Compensador Lead / Lag

11

+

+=

sTsTKG

U

PFFFF

UTt

U

P eTT

ty

+= )1(1)(Respuesta ante salto escaln unitario para KFF =1:

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2.0=U

P

TT

5.1=U

P

TT

2.1=U

P

TT

5.0=U

P

TT

8.0=U

P

TT

0.2

0.5

0.8

1.2

1.5

y(t)

t

1=FFK

1

Control feedforward

Como la compensacin nunca es perfecta, el control feedforwardsiempre va acompaado por un control feedback.

r c

U

Aplicacin tpica ControladorfeedforwardTransmisorde caudalControladorde temperatura

Transmisor detemperatura