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INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

TECNICAS DE CONTROL

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA DE VERACRUZ INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE ACAYUCAN CLAVE: 30EIT0010B CARRERA: INGENIERÍA QUÍMICA. RETÍCULA DE LA CARRERA: IQUI-2010-232.

ASIGNATURA: INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

UNIDAD: 4 NOMBRE DEL TRABAJO: TRABAJO DE INVESTIGACIÓN SEMESTRE: OCTAVO GRUPO: 809-B TURNO: VESPERTINO.

DOCENTE: ING.JUAN MANUEL HERNANDEZ ESPÍNDOLA

ALUMNO: CRUZ GOMEZ AMMISADDAI HOGLA CARDENAS CISNEROS KARLA VERONICA DUNCAN ALCÁNTARA XÓCHITL AMELIA DE JESUS PABLO ANA MARIA

INDICE INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 4 4.1 CONTROL DE RELACIÓN .................................................................................................. 5 ¿Qué es? ................................................................................................................... 5 Grafico ....................................................................................................................... 5 Explicación de la bucla implementada .................................................................... 6 Representación por bloques.................................................................................... 6 Implementacion en el CD 60 .................................................................................... 7 4.2 CONTROL DE CASCADA ................................................................................................... 8 Estructura.................................................................................................................. 9 Ventajas del control en cascada .............................................................................. 9 Limitaciones de aplicación del control en cascada ............................................. 10 La variable secundaria debe satisfacer los siguientes criterios: ................................ 10 Implementación de Controlador en Cascada........................................................ 11 Entonamiento de controladores ............................................................................ 12 Comparación con control por realimentación ...................................................... 13 Ejemplo de sistema de control de cascada .......................................................... 16 4.3 CONTROL ANTICIPATIVO ............................................................................................... 19 Metodos De Diseño De Controladores Feedforward ............................................ 20 Método de Cancelación perfecta. .......................................................................... 20 Método basado en un modelo estacionario del proceso ..................................... 21 Método basado una redes dinámicas ................................................................... 22 4.4 OTRAS TÉCNICAS DE CONTROL ................................................................................. 24 Control selectivo. .................................................................................................... 24 Ejemplo: Reactor Tubular ...................................................................................... 24 Control override. ..................................................................................................... 25 CONCLUSIÓN ................................................................................................................................ 27 BIBLIOGRAFIAS ........................................................................................................................... 28

INTRODUCCIÓN Como se vio en la unidad anterior un controlador es aquel que se aplica en forma casi general a la mayoría de los sistemas de control. En particular, cuando el modelo matemático de la planta no se conoce y, por lo tanto, no se pueden emplear métodos de diseño analíticos, es cuando los controladores PID resultan más útiles En esta unidad se abordarán temas con referencia a lo que son las técnicas de control empezando con la técnica de control de relación en la que nos dice la literatura que es la relación entre dos flujos, pero controlando uno de ellos, o si fuera el caso, la relación entre la medición de dos variables, pero regulando una de ellas. No solo abordaremos lo que es la técnica de control de relación si no también lo que es el control en cascada en donde nos dice que es una técnica de control muy común, ventajoso y útil en las industrias de proceso; en esta sección se presentan. Sus principios e implementación mediante dos casos prácticos. En la mayoría de los procesos ‘se pueden encontrar ejemplos de sistemas de control en cascada. Por ultimo la técnica de control anticipativo que según varios documentos y libros nos hablan de que esta técnica difiere cuando las perturbaciones que afectan a una planta pueden medirse, pero no controlarse, una alternativa a utilizar es el control feedforward, cuyo objetivo es compensar la perturbación antes de que ésta llegue a afectar a la variable controlada.

4.1 CONTROL DE RELACIÓN ¿Qué es? Podemos decir que un control de relación es la relación entre dos flujos pero controlando uno de ellos, o si fuera el caso, la relación entre la medición de dos variables,

pero

regulando

una

de

ellas.

Hay dos tipos el esquema es un control donde la medición de los flujos es dividida arrojando una única PV al controlador. Y el esquema (b) es donde una variable la no controlada + un multiplicador o ganancia dará el SP al controlador la Pv del controlador la arroja la variable controlada. Grafico

Explicación de la bucla implementada Se requiere el llenado de un tanque, el cual tiene dos entradas d fluido se necesita que la condición de llenado de las 2 tuberías sea de 1 a 1 o 2 a 1 o etc. Como sea necesario para el proceso, uno de los fluidos será dependiente del otro para su paso.

Representación por bloques

Implementacion en el CD 60

4.2 CONTROL DE CASCADA El control en cascada es una técnica de control muy común, ventajoso y útil en las industrias de proceso; en esta sección se presentan. Sus principios e implementación mediante dos casos prácticos. En la mayoría de los procesos ‘se pueden encontrar ejemplos de sistemas de control en cascada. Se define como la configuración donde la salida de un controlador de realimentación es el punto de ajuste para otro controlador de realimentación, por lo menos. Más exactamente, el control de cascada involucra sistemas de control de realimentación

o circuitos que estén ordenados uno dentro del otro. Existen dos propósitos para usar control cascada: 1. Eliminar el efecto de algunas perturbaciones haciendo la respuesta de regulación del sistema más estable y más rápido. 2. Mejorar la dinámica del lazo de control. Estructura La estructura de control en cascada tiene dos lazos un lazo primario con un controlador primario también llamado “maestro” K1(s) y un lazo secundario con un controlador secundario también denominado “esclavo”K2(s), siendo la salida del primario el punto de consigna del controlador secundario La salida del controlador secundario es la que actúa sobre el proceso

Ventajas del control en cascada a) Produce estabilidad en la operación b) Las perturbaciones en el lazo interno o secundario son corregidas por el controlador secundario, antes de que ellas puedan afectar a la variable primaria. c) Cualquier variación en la ganancia estática de la parte secundaria del proceso es compensada por su propio lazo. d) Las constantes de tiempo asociadas al proceso secundario son reducidas drásticamente por el lazo secundario.

e) El controlador primario recibe ayuda del controlador secundario para lograr una gran reducción en la variación de la variable primaria. f) Es menos sensible a errores de modelado. g) Incremento de la capacidad de producción. Limitaciones de aplicación del control en cascada a) Es aplicable solo cuando pueden obtenerse mediciones de variables adicionales de proceso. b) Requiere medir las perturbaciones en forma explícita, y además es necesario un modelo para calcular la salida del controlador. c) En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la realimentación no puede realizarse. Diseño de Control en Cascada Los criterios para el diseño de control en cascada son: Puede ser considerado: 1. Cuando el control realimentado simple no provee un desempeño satisfactorio a lazo cerrado. 2. La medida de la variable es disponible. La variable secundaria debe satisfacer los siguientes criterios: 1. Debe indicar la ocurrencia de una importante perturbación. 2. Debe haber una relación causal entre la variable manipulada y la segunda variable. La variable secundaria debe tener una dinámica más rápida que la variable primaria. Típicamente tp (tiempo pico) debe ser mayor que 3ts (constante de tiempo del proceso secundario). Entre las ventajas que supone el uso de control en Cascada cuando se aplica correctamente, está el hecho de que suele ser más estable y de respuesta más rápida que el correspondiente lazo simple. El precio a pagar puede ser un encarecimiento del equipo. Se requieren un controlador más, un sensor más y un

sistema adicional para la transmisión de la realimentación. Ahora bien cuando se dispone de un sistema de control por ordenador o de reguladores modernos basados en microprocesadores que normalmente incorporan dentro de una misma unidad el controlador primario y secundario para su disposición en Cascada, el único coste adicional corresponde a la instrumentación para medir la perturbación, y su uso se justifica por la mejor calidad en el control que es posible conseguir.

Implementación de Controlador en Cascada Consideraciones Principales para la Implementación de Control en Cascada. Una cuestión importante en la implementación de control en cascada es cómo encontrar la variable secundaria controlada más ventajosa, es decir, determinar cómo el proceso puede ser mejor dividido. La selección de la variable controlada secundaria es tan importante en un sistema de control en cascada que es muy útil formalizar algunas reglas que ayuden a la selección. Regla 1.- Diseñar el lazo secundario de manera que contenga las perturbaciones más serias.

Regla 2.- Hacer el lazo secundario tan rápido como sea posible incluyendo solamente los menores retrasos del sistema completo de control. Regla 3.- Seleccionar una variable secundaria cuyos valores estén definidamente y fácilmente relacionados a los valores de la variable primaria. Regla 4.- Incluir en el lazo secundario tantas perturbaciones como sea posible, manteniéndolo al mismo tiempo, relativamente rápido. Regla 5.- Escoger una variable secundaria de control que permita al controlador secundario operar a la ganancia más alta posible (la más baja banda proporcional). Esto es difícil de predecir. Entonamiento de controladores En la práctica industrial los reguladores de un sistema de control en cascada son normalmente reguladores realimentados estándares tipo P, PI, o PID. La sintonía de los dos reguladores se efectúa, igual que en controladores en configuración simple pero en dos etapas PASOS: 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) 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 o en automático)  Se diseña el regulador maestro sobre este sistema equivalente.  Sintonizar el controlador primario por alguno de los métodos conocidos

Comparación con control por realimentación En ocasiones el esquema de control por retroalimentación simple debe ser modificado para enfrentar condiciones especiales de perturbación en el sistema y las características pobres en estabilidad y rapidez de respuesta que éstas pueden reproducir. Estableciendo una comparación es necesario, en primer lugar precisar el diagrama de bloque y los componentes del esquema por retroalimentación simple:

Considerando el siguiente ejemplo:

Constituido por el horno en el cual se quema gas, para calentar una cierta corriente y elevar su temperatura desde T e hasta T S . Suponiendo que disminuye de pronto

la presión de alimentación del gas combustible la caída de presión a través de la válvula será menor de manera que disminuirá el flujo de gas. Con el controlador de temperatura por retroalimentación simple, no se hará ninguna corrección hasta que la temperatura final a la salida se vea finalmente disminuida. De esta forma, toda la operación del horno se ve alterada por la perturbación. Con el sistema de control en cascada (fig. 2), el controlador de flujo sobre la corriente de gas combustible detectará inmediatamente la disminución de gas y abrirá la válvula de control para hacer que el flujo vuelva a su valor requerido. El horno no se ve afectado entonces por la perturbación.

El diagrama de bloques correspondiente a esta última situación se muestra en la figura siguiente. Así, el control en “cascada” tiene dos controladores por retroalimentación.

Es importante notar las siguientes diferencias entre las estructuras de control de tipo feedback convencional y cascada: ➢ El esquema de control feedback sólo emplea un controlador, mientras que en el esquema de control en cascada se emplean dos controladores.,

es

decir

necesita

una

mayor

inversión

en

instrumentación ➢ En el esquema de control feedback el set-point del controlador se fija externamente (normalmente lo fija el operador del proceso). En el esquema de control en cascada el set-point de la variable a controlador sigue siendo fijado de manera externa. Sin embargo, el set-point del controlador esclavo es fijado por el controlador maestro. Es decir, la salida o resultado que produce el controlador maestro es simplemente el set-point al que debe operar el controlador esclavo. ➢ La velocidad de respuesta del sistema se mejora en el control en cascada, si el lazo secundario tiene una respuesta más rápida que la planta interna. DIAGRAMA DE BLOQUE Y DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN a) Cascada Temperatura-Presión:

El regulador externo (temperatura-TC) fija la consigna del regulador 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 Ejemplo de sistema de control de cascada Considérese el sistema de control de temperatura del cuarto mostrado en la figura Por simplicidad considerar que solo se necesita calentamiento y que este es provisto por el vapor caliente de un sistema de aire circulante. En la figura (a) , un termómetro convencional mide la temperatura del cuarto y fija el flujo de vapor dentro de un rango convencional de retroalimentación. Asumir que el sistema está sujeto a perturbaciones severas, tales como variaciones de la temperatura del aire entrante, de la velocidad de flujo y variaciones en la presión de suministro de vapor.

Una inspección reflexiva de la figura 6 conduce a la conclusión de que el tiempo de retraso asociado con el control de temperatura en el cuarto es considerable. El largo tiempo de retraso es asociado con el tiempo que le toma al cuarto cambiar de temperatura, éste podría ser 15 o 20 minutos. También hay un retraso en la acción correctiva asociado con el cambio de temperatura del vapor, calentando el serpentín. Intuitivamente se podría pensar que éste es de 2 o 3 minutos. El tiempo de retraso asociado con la válvula de vapor y el termómetro es ignorado. La figura (b) muestra un arreglo en cascada en el cual un lazo secundario de control de retroalimentación de temperatura, mide y controla la temperatura del aire entrante. Un lazo primario de control de temperatura mide y controla la temperatura del cuarto manipulando el punto de referencia o valor deseado sobre el lazo de control secundario para la temperatura del aire entrante.

Con el sistema de cascada mostrado en la figura (b), ahora se conoce cómo este responderá a las perturbaciones o variaciones en la temperatura del aire entrante o en la velocidad de flujo de vapor. Claramente perturbaciones que afecten al serpentín serán percibidas por el lazo secundario localizado y la acción correctiva puede ser tomada inmediatamente para evitar el deterioro en la temperatura actual del cuarto.

4.3 CONTROL ANTICIPATIVO Cuando las perturbaciones que afectan a una planta pueden medirse pero no controlarse, una alternativa a utilizar es el control feedforward, cuyo objetivo es, 9 como en el caso anterior, de compensar la perturbación antes de que ésta llegue a afectar a la variable controlada. Para ello tan pronto como una perturbación se produzca, debe comenzarse a actuar sobre la variable manipulada de modo que el efecto de esta actuación compense el efecto de la perturbación y el efecto total sobre la salida del sistema sea nulo. Esta idea se muestra en la Figura 8. La compensación feedforward Gf actua sobre la entrada del sistema u, tan pronto como se detecta la perturbación p. Nótese que la compensación será más efectiva si Gp es más lenta que G, de modo que la perturbación se transmita más lentamente que la corrección hacia la salida. Este tipo de corrección es en lazo abierto, como puede verse, por lo que usualmente se emplea en combinación con un lazo de realimentación tal como en la Figura 9.

La función de transferencia del conjunto resulta ser: Y = Gp p + G (GR (r - Hy) - Gf p) de modo que la dinámica en lazo cerrado, dada por (1 + GH) , no se ve afectada por el compensador feedforward Gf . Metodos De Diseño De Controladores Feedforward A continuación hablaremos de los diferentes métodos existentes para el diseño de compensadores feedforward, comentando en qué casos son indicados y las dificultades que presenta cada uno de ellos. Método de Cancelación perfecta. Teniendo en cuenta la expresión matemática del sistema en lazo cerrado, para neutralizar totalmente el efecto de la perturbación "p" sobre la salida del sistema "y", es obvio que Gf debe diseñarse de modo que Gp = G G Dos comentarios pueden hacerse sobre este tipo de diseño. El primero es que su validez, al basarse sobre funciones de transferencia lineales, está limitada a un determinado rango, el mismo de aceptación de dichas funciones de transferencia suponiendo que el sistema sea no-lineal. El segundo hace referencia a la realizabilidad y complejidad de Gf . La primera no está garantizada y la segunda

suele ser alta. Esto hace que, en general, este tipo de compensación no sea muy empleada, y la determinación de Gf , se efectúe por otros medios. Método basado en un modelo estacionario del proceso Presentaremos esta nueva alternativa la primera utilizando el ejemplo del cambiador de calor. En condiciones estacionarias, no es difícil calcular la energía que debe ceder el vapor para calentar el líquido desde la temperatura Ti a la deseada T. pv Fv ?H = q C (Ts - Ti ) donde ?H es la entalpia de cambio de estado y C el calor específico del líquido. Si se miden Ti y q, para un T dado, puede calcularse perfectamente el flujo de vapor necesario para obtener Ts . Cualquier cambio en q o Ti se traducirá de inmediato en el ajuste necesario del flujo de vapor F . La implementación práctica se ha hecho por medio de una cascada donde la unidad de compensación feedforward fija el valor de consigna de un regulador de flujo de vapor. Además se ha añadido el lazo de realimentación de temperatura, de modo que cualquier error en el cálculo pueda ser compensado. (Figura 10) El tipo de compensador empleado se basa en un modelo estático del proceso. La corrección así obtenida es la deseada en estado estacionario, pero debido a factores relacionados con la dinámica del sistema una corrección de este tipo puede incluso dar una respuesta peor que en ausencia de la misma. No solo es importante saber cuanto hay que corregir sino tambien con que ritmo.

La implementación de una fórmula de cálculo no lineal no es un problema cuando se dispone de un sistema de control por ordenador. Sin embargo, a veces, los modelos son demasiado complejos, algún coeficiente o entrada no es conocido, etc. Método basado una redes dinámicas Una alternativa a emplear en estas situaciones, y en la práctica industrial la mas empleada, es suponer una red de corrección de estructura fija tal como

y, conocido un modelo linealizado del proceso, tratar de calcular los parámetros de la red, de modo que minimice alguna función del tipo

Nótese que como el controlador feedforward ideal cumpliría Gp = G Gf entonces la ganancia de la red será

nos permite fijar uno de los parámetros del compensador. Otros criterios para fijar los parámetros de este nos lo puede dar el tratar de prescribir algún valor para la magnitud de la corrección ante una perturbación unidad. Para el caso que estamos considerando: u(t) = - f1 u(t-1) + h0 p(t) + h1 p(t-1) si t