5. Estructuras de control

___________________________________________

Los sistemas de regulacin basados en la realimentacin continua de la seal de error,tienen una gran ventaja, ya que la comparacin permanente entre el valor deseado dela variable controlada y su valor actual, les permite corregir el efecto de lasperturbaciones, incluso sin un conocimiento completo de las caractersticas delproceso.

La principal desventaja que presenta el control de realimentacin, es la necesidad deque exista una seal de error para que el controlador acte iniciando la correccin, esdecir, cuanto ms retardo posea un proceso, tanto ms difcil ser controlarlo con elsistema clsico de realimentacin.

En otras palabras, el control realimentado corrige despus de que las variablesperturbadoras han desviado a la controlada de su punto de referencia.

Por las anteriores razones se han generalizado otras tcnicas de control que sonvariantes de los controladores PID o tienen enfoques diferentes al control clsico.

5.1 Control en Cascada

El control en cascada consta de dos lazos de realimentacin, uno de los cuales esinterno al otro. Su objetivo es el de mejorar el desempeo de un lazo de controlrealimentado que no funciona satisfactoriamente, aunque su controlador est biensintonizado, debido a la lentitud de respuesta de su variable controlada, que entra endiferentes puntos del lazo y cuyo efecto sobre la variable controlada no se puededetectar rpidamente, desmejorando la controlabilidad..

Una de las principales aplicaciones del control en cascada es en procesos donde lavariable manipulada es un fluido de servicio ( como el agua o el vapor) sometido aperturbaciones.

En el control en cascada la salida del lazo externo o principal , llamado el controlmaestro, fija el punto de referencia del lazo interno o secundario, denominado elcontrolador esclavo.

Ejemplo: Control de temperatura de un horno

FIGURA 5.1. Control realimentado de un horno de combustible

En el sistema de control realimentado de un horno mostrado en la figura 5.1 cuandola temperatura medida se desva del punto de consigna, el controlador vara laposicin de la vlvula de combustible, y si todas las caractersticas del mismo (presin. viscosidad, etc..) se mantienen constantes , el control ser generalmentebueno.

Sin embargo, si una de las caractersticas, por ejemplo la presin, cambia de formarepentina, el caudal a travs de la vlvula seguir la misma variacin aunque suvstago permanezca fijo. Cambiar entonces la temperatura y, al cabo de ciertotiempo ( dependiendo de la constante de tiempo y el retardo del sistema), lasvariaciones de temperatura llegarn al controlador y ste reajustar la posicin de lavlvula de acuerdo con las acciones de que disponga. Es posible que no se logre unabuena regulacin e incluso puede impedir totalmente el control del proceso.

Horno

TIC

producto

combustible

Controladorde

temperaturaTransmisorVlvula Horno

-

+

productocombustible PROCESO

Es de anotar que la temperatura se regula ms bien por el caudal de combustible quepor la posicin de la vlvula ( si la calidad del combustible es constante). Sinembargo el caudal no est controlado, ya que es de inters secundario, pero susvariaciones afectan a la temperatura, la cual es la variable principal en el control delproceso.

Desde el punto de vista de rapidez en el control del proceso, sera muy conveniente elajuste rpido de la posicin de la vlvula, tan pronto como se presente la perturbacinen la presin de combustible, mientras que las variaciones de temperatura ms lentasque puedan producirse por otras causas deben ser corregidas para mantener latemperatura en el punto de consigna.

Esto puede lograrse utilizando una configuracin de dos controladores en cascada,uno de los cuales acta como principal y el otro como secundario.

FIGURA 5.2. Control en cascada de un horno de combustible

Tref Controladorde

temperatura

Controladorde

caudalVlvula Horno

-

+

productocombustible

PROCESO

-

+

Transmisorde caudal

Transmisor detemperatura

SECUNDARIOPRIMARIO

TIC

FC

TT

combustible vlvula

transmisor detemperatura

Controlador deflujo

Controlador detemperatura

Horno

producto

En ste caso, el controlador primario controla la temperatura y acta como punto deconsigna de un instrumento que controla el caudal y cuya seal de salida ajusta laposicin de la vlvula.

El segundo controlador permite corregir rpidamente las variaciones de caudalprovocadas por perturbaciones en la presin de combustible, manteniendo el sistemaen todo momento con capacidad de controlar la temperatura en el instrumentoprimario.

En sta disposicin el controlador de temperatura (maestro) manda y el de caudalobedece ( esclavo).

Para que el control en cascada sea eficaz, es necesario escoger adecuadamente lavariable secundaria teniendo en cuenta las perturbaciones que puedan presentarse ylas velocidades de respuesta de los distintos componentes, de acuerdo con lossiguientes requisitos:

1. Que el sistema bajo control, pueda dividirse en dos procesos ms simples, paracerrar alrededor de estos los lazos de control, principal y secundario.

2. Que el lazo secundario incluya el mayor nmero de perturbaciones sin llegar adecrecer demasiado su tiempo de respuesta.

3. El lazo secundario debe ser ms rpido que el lazo primario. Tpicamente p debeser mayor que 3s ( constante de tiempo del proceso secundario).

Algunas combinaciones tpicas se muestran a continuacin:

PRIMARIO SECUNDARIO

Temperatura PresinTemperatura FlujoTemperatura temperaturaNivel FlujoComposicin Flujo

Las ventajas del control en cascada son varias:

1. Las perturbaciones en el lazo interno o secundario son corregidas por elcontrolador secundario, antes de que ellas puedan afectar a la variable primaria.

2. Cualquier variacin en la ganancia esttica de la parte secundaria del proceso escompensada por su propio lazo.

3. Las constantes de tiempo asociadas al proceso secundario son reducidasdrsticamente por el lazo secundario.

4. El controlador primario recibe ayuda del controlador secundario para lograr unagran reduccin en la variacin de la variable primaria.

Debido a que el lazo secundario existe como un elemento del lazo primario, elcontrolador secundario debe ajustarse apropiadamente antes que el controladorprimario, colocando a ste en manual.

El ajuste para el controlador secundario debe hacerse para cambios en la referencia opara cambios en la perturbacin si se espera que existan cambios severos en estaltima.

Igualmente se debe tener en cuenta la regla de oro del control en cascada: " Si el lazoesclavo desaparece, el lazo maestro debe mantenerse estable"

Control de temperatura en un reactor

Si la temperatura del agua de enfriamiento cambia, se convierte en una perturbacincuyo efecto sobre el lazo principal puede corregirse con un control en cascada comoel mostrado en la figura:

FIGURA 5.3 Control en cascada de un reactor

TICTT

TIC

TT

Temperatura de ref.agua de enfriamiento

Temperatura de ref.en el tanque

CONTROLADORESCLAVO

CONTROLADORMAESTRO

salida deproducto

agua deenfriamiento

FIGURA 5.5. Control en cascada de un tanque acumulador.

5.2 Control anticipativo ( feed-forward control)

En ste tipo de control, la informacin relacionada con una o ms condiciones quepuedan perturbar la variable controlada, se realimentan para minimizar la desviacinde la variable controlada.

En sistemas que poseen tiempos de retardo importantes con desviaciones de magnitudy duracin distintas, la seal de error es detectada mucho tiempo despus que se haproducido el cambio de carga, por lo cual, la correccin correspondiente es retardaday ocurre a veces que el controlador acta cuando no se necesita porque se haeliminado el cambio de carga que dio lugar a la correccin.

El control anticipativo ( feed-forward ) se basa en la medicin de una o ms variablesde entrada y acta simultneamente sobre la variable manipulada que produce lasalida deseada del proceso. Con el control anticipativo, se cancelan los efectosindeseables de perturbaciones medibles al compensarlos antes de que se perciban enla salida.

Este tipo de control requiere un conocimiento exacto y completo de las caractersticasestticas y dinmicas del proceso, as como de la forma como las perturbacionesafectan la salida del proceso.Su diseo se basa en un sistema de cmputo que tiene como entradas las seales queprovienen de la medicin de las perturbaciones y como salida la modificacin que

LT

FC FT

LC

debe hacerse en la variable manipulada para que la variable controlada no se desvede su punto de referencia. De sta manera, la variable perturbadora entrasimultneamente con la accin correctiva con lo que impide la desviacin que seproducira en la variable controlada. Esta correccin antes de que se produzca el errorda el nombre de anticipativa a esta accin de control.

En la Figura 5.6 puede verse una comparacin entre controles de realimentacin, encascada y anticipativo aplicados a un intercambiador de calor.

Este caso en particular se requiere el conocimiento de la relacin entre el caudal delproducto y la temperatura de salida, la influencia que tienen las perturbaciones en lapresin de vapor, en la temperatura del producto de entrada, en el rendimiento delintercambiador, etc.

Es decir, la relacin entre la temperatura de salida y el caudal de entrada constituyeun modelo del proceso y es utilizado para hallar la funcin de transferencia delsistema de control anticipativo.

La eficacia del control anticipativo depende de la precisin alcanzada en la medida dela variable de entrada y de la precisin del modelo calculado. Por otra parte, puederesultar costoso o imposible determinar el modelo del proceso.

Desde un punto de vista estricto, el control anticipativo puede considerarse como uncontrol en lazo abierto y su aplicacin aislada dar lugar a un offset significativo, esdecir, la variable de salida ( temperatura en ste caso ) se apartar significativamentede la deseada.

a. Control de realimentacin

Intercambiador

TIC

TT

Controladorde

temperatura

Transmisorde

temperatura

Vapor

Entrada deproducto

Temperatura desalida

VlvulaControlador

Transmisor

Proceso

b. Control en cascada

c. Control Anticipativo

FIGURA 5.6. Comparacin entre control de relimentacin, en cascada y anticipativo

Como conclusin, se puede afirmar que el control de realimentacin puede controlarbien en rgimen permanente, pero no lo hace suficientemente en condicionesdinmicas de funcionamiento del proceso.

En cambio, el control anticipativo es capaz de regir rpidamente los cambiodinmicos, pero presenta un offset considerable a la salida.

Intercambiador

FRC

FT

Controladorde flujo

Transmisorde flujo

Vapor

Entrada deproducto

Temperatura desalida

TIC

TT

Controladorde flujo

Controladorde

temperatura

Transmisorde

temperatura

Transmisorde flujo

Vapor

Temperatura desalida

FIC

FT

VlvulaControlador

esclavoControlador

maestro

Transmisor

Transmisor

Proceso

Vlvula

Transmisorcaudal deproducto

Controladoranticipativo Proceso

Principales aplicaciones:

1- En procesos difciles de controlar por realimentacin debido a la presencia detiempo muerto y retardos considerables.

2- En procesos que reciben flujos no controlados provenientes de otras partes de laplanta y que pueden afectar a la variable controlada.3- Procesos en el que la variable controlada no puede medirse con precisin o demodo continuo.4- Procesos en el que la variable controlada no es fija y viene determinada por otrasvariables.

Diseo del controlador anticipativo:

Considerese el diagrama de bloques del control anticipativo . Se supone que lafuncin de transferencia de la planta Gp(s) y la funcin de transferencia de laperturbacin Gn(s) son conocidas:

FIGURA 5.7. Diagrama de bloques del control anticipativo

Donde:

Gn(s) : Funcin de transferencia de la perturbacinGp(s) : Funcin de transferencia de la plantaGv(s) : Funcin de transferencia de la vlvulaHff(s) : Funcin de transferencia del elemento detector primario y del

transmisor del lazo anticipativoGcff(s) : Funcin de la unidad de cmputo del control anticipativo

Del diagrama de bloques:

C(s) = Gcff.Gv.Gp.E(s) + Gn.N(s)

Hff Gn(s)

Gp(s)Gv(s)Gcff(s)

N(s)

C(s)R(s)+

-

++

E(s)

5.3 Control anticipativo + realimentado:

Aunque el control anticipado podra llevar al control perfecto, las desventajas antesanotadas hace aconsejable que se combine el control anticipativo con el realimentadopara que ste corrija por perturbaciones en el modelo de la planta y los cambios en losparmetros de los elementos del lazo de control.

Control de temperatura en un intercambiador de calor

FIGURA 5.8. Control anticipativo + realimentado

En este caso si el caudal es constante la seal procedente del controlador detemperatura pasa sin cambios hacia la vlvula. En cambio si se presentan variacionesen el caudal, la seal proveniente del controlador Feed Forward correspondiente sesuma o se resta, segn el sentido de variacin en la temperatura.

Intercambiador

FIC

FT

Controladorde temp.

Controladorderivado

Transmisorde flujo

Transmisorde

temperatura

Vapor

Entrada deproducto

Temperatura desalida

TIC

TT

setpoint

Transmisorde

caudal

Transmisorde

Temperatura

-

++

+ ProcesoVlvulaControlador

detemperatura

ControladorFeed Forward

Dinmicade la

perturbacin

Temperaturade

salida

De este modo, los cambios de carga en el caudal del producto son detectados ycorregidos inmediatamente y compensan los cambios anticipados, que por esta causa,pudiesen producirse en la temperatura.

Diseo del controlador Feedforward+Feedback:

FIGURA 5.9. Diagrama de bloques del control anticipativo + realimentado

De acuerdo con el diagrama de bloques, se puede demostrar que la funcin detransferencia del controlador Feedforward sigue siendo:

)()()(G

= Gc nffsGpsGvHff

s

5.4 Control de relacin ( ratio control )El control de relacin es un sistema de control en el que una variable de proceso escontrolada con relacin a otra variable en una proporcin fija. Generalmente lasvariables que se deseen mantener en una relacin fija son las ratas de flujo de doscorrientes, una de las cuales, la que no se controla est sometida a perturbacionesfrecuentes porque proviene de la unidad de produccin.

Gn(s)

Gv(s)Gcfb(s)

N(s)

C(s)R(s)+

--

++ +

Hff

Gcff(s)

Gp(s)

Hff

El control de relacin puede hacerse mediante un divisor o una estacin de relacin.;en el primer caso se introduce un elemento no lineal al lazo de control por lo queresulta no recomendable. La estacin de relacin es un amplificador de gananciaajustable.

En la Figura 5.10. se muestra un ejemplo de control de relacin de dos fluidos:

FIGURA 5.10. Control de relacin utilizando un divisor

FIGURA 5.11. Control de relacin utilizando una estacin de relacin

Caudalvariable

Caudalcontrolado

FY REF=FA /FB

FB

FA

FT

FT

FY

Caudalvariable

Caudalcontrolado

FY

REF=FA /FB

FB

FA

FT

FT

FC

Estacinde relacin

Mientras que el control en cascada es un mtodo que mejora la regulacin en unavariable, el control de relacin satisface una necesidad especfica, el control derelacin entre dos cantidades.

La seal del transmisor de seal es multiplicada por un factor fijado manual oautomticamente. La seal de salida del multiplicador es el punto de consigna delcontrolador cuya seal de salida acta directamente sobre la vlvula de control

FIGURA 5.12. Diagrama de bloques del control de relacin

Aqu se tiene un controlador esclavo GC y el controlador maestro est abierto, no haylazo maestro. Por ejemplo, se desea tener 3 veces X o KX, el maestro es un comandofijado al esclavo y el esclavo es el nico control que permanece.Este tipo de control se puede considerar en control en cascada degenerado.

Cuando se usa el control de relacin debe tenerse presente :

1. Expresar los flujos en las mismas unidades2. las seales que lleguen a las divisiones, estacin de relacin y controlador deben

tener las mismas caractersticas lineal o cuadrtica.3. Ajustar la relacin de estacin teniendo en cuenta el rango de las transmisiones

C1

1C

CF CF

=Relacin

Donde:

FC = relacin de flujo manipulado

Gn(s)

Gp(s)Gv(s)Gc(s)

N(s)

XX +

-

+

+K

F1 = relacin de flujo libre o no controladoCC = Rango del transmisor de flujo controladoC1 = Rango del transmisor de flujo no controlado

aplicaciones:

1. Mantener constante la relacin de dos corrientes que se mezclan para garantizar lacomposicin de la mezcla.

2. Mantener una relacin ptima entre las ratas de flujo de combustible y aire en unacaldera

3. Conservar la rata de flujo de lquido a la rata de flujo de vapor ( L /V ) en una torrede absorcin

Ejemplo 1 : Control de relacin de un sistema de mezcla cuando se manipulan ambosflujos.

FIG: 5.13 Control de relacin de un sistema de mezcla

A

I

/ P A

A

/ B

B I

/ P

B

FYFY FY

FY

FY FY FY

5.4 Control de sobremando ( Override control )El control de sobremando es un sistema que se emplea para limitar la variable deprocesos en un valor alto o bajo con el fin de evitar daos en el proceso, en elpersonal o en el equipo.

Para su aplicacin se requiere aplicar control sobre dos variables en un proceso,relacionados entre si de tal manera que una u otra pueda ser controlada por la mismavariable manipulada.

Como una variable manipulada slo puede controlarse por una variable, debe existirla posibilidad de transferir el mando de una de los lazos de control al otro cuando lascomplicaciones de funcionamiento as lo exigen. La transferencia del mando se lograconectando la salida de los dos controladores a un interruptor selector de la ms bajao de la ms alta, de dos seales cuya salida est conectada al elemento final decontrol.

FIGURA 5.13. Diagrama de bloques del control de sobremando

En el control de sobremando se emplean dos controladores GC1 y GC2 que controlanlas variables C1 y C2 respectivamente. Las salidas de los controladores se conectan alas entradas de un interruptor selector de seales, la salida del interruptor maneja elelemento final de control. El punto de referencia del controlador 2 subdivide el rangode valores de su variable controlada en rango de valores aceptados y rangos devalores no aceptados o de riesgo.

El controlador 1 mantiene el valor de la variable controlada 1 a su punto dereferencia, si se cumple la condicin de que el valor de la variable controlada 2 est

Gv(s)Selector

Gc2(s)

C1 (s)

R2 (s)

+

-

+

+

Gp(s)

N(s)

R1 (s) -

+

C2 (s)+

Gn2(s)

Gn1(s)Gc1(s)

dentro del rango de valores de no riesgo. Para la variable controlada 2 se tolerandesviaciones de su punto de referencia si ocurren en el rango de no riesgo. Si lavariable controlada 2 entra en el rango de valores de riesgo el interruptor opera portransferir el manejo del elemento final al controlador 2 para que lleve su variablecontrolada al rango de no riesgo. Cuando esto ocurre el interruptor transfiere elmando al interruptor 1.

Ejemplo: Bombeo de oleoductos

En esta aplicacin hay dos controladores de presin, uno en la aspiracin y otro en laimpulsin cuya seal de salida es seleccionada por un rel selector de comunicacincon la vlvula de control.

FIGURA 5.14. Control de sobremando en un oleoducto

El control se efecta en condiciones de funcionamiento normal en el control deimpulsin y cuando por cualquier avera baja la presin de aspiracin de la bombapor debajo del lmite de seguridad, debe entrar en funcionamiento el controlador deaspiracin en lugar del de impulsin para conseguirlo, el controlador de aspiracin esde accin inversa a los valores nominales de trabajo y rel selector, selecciona lamnima de las dos seales que le llegan.De este modo, el control normal se efectuar con el controlados de impulsin ycuando baje demasiado la presin de aspiracin y llegue a ser inferior a su punto deconsigna, la seal de salida disminuye y llega a ser inferior a la salida del controladorde impulsin, con lo cual el rel selector lo selecciona y la vlvula pasa a sercontrolada directamente por la presin de aspiracin.

Aspiracin

PIC

PT

Impulsin

Bomba

XY

PIC

PT

5.5 Control de gama partida ( split range control )Es un sistema de control en el cual existe una sola variable controlada y dos o msvariables manipuladas que deben tener el mismo efecto sobre la variable controlada.

Para realizar este sistema se requiere compartir la seal de salida del controlador convarios elementos finales de control.

FIGURA 5.15. Diagrama de bloques del control de gama partida

Ejemplo: Control de temperatura de un bao electroltico

En estos baos el calor producido por el paso de la corriente elctrica, es removidopor un flujo controlado de agua de enfriamiento.

Cuando se requiere recubrir piezas de gran tamao la temperatura del baodesciende, por lo que se emplean serpentines que transportan flujos regulados devapor para llevarlo hasta su punto de referencia.

Cuando la solucin electroltica est en el punto de referencia, los flujos de agua y devapor deben ser nulos. Las acciones anteriores deben realizarse con un controlador degama partida, cuya salida va a los posicionadores de las vlvulas de agua y de vapor.

Gv1(s)

Gc(s)R2(s)

-

+

+

C(s)+

Gn(s)

Gv2(s)

Gp(s)