t5 estructuras avanzadas introduccion
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1Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Tema 5. Estructuras Avanzadas de control
ÍNDICE:• Introducción• Estructuras avanzadas de control
Control de relación (ratio)Control selectivoControl con restricciones Control de gama partidaControl anticipativoControl en cascadaControl de procesos con grandes tiempo muertos
2Tema 5. 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
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
Introducción
3Tema 5. Estructuras avanzadas de control
A pesar de sus desventajas, la mayoría (> 80%) de lasaplicaciones industriales utilizan bucles de realimentación simplePara las situaciones en las que el control realimentadono resulta satisfactorio, es necesario utilizar otrasestrategias para obtener las prestaciones requeridasA estas estrategias, que se combinan con el bucle de realimentación (no lo sustituyen) se les denominaestructuras avanzadas de control
Introducción
4Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Objetivo: Mantener la relación entre dos variables a un valor predeterminado
Caso particular de control anticipativo, ampliamente utilizado en la industria de procesos
Aplicaciones: Normalmente las variables son caudales. Mezcla de dos corrientes de distinta composición o Tª, para conseguir una mezcla de composición o Tª determinadasRelación aire/combustible en el control de la combustión en un horno o caldera
Control de Relación (Ratio)
5Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Ejemplo:
Mezcla de dos corrientes de procesoNormalmente uno de los caudales sólo se puede medir, no manipular. Se le denomina caudal de referencia
Objetivo: Mantener la relación entre ambos caudales R=B/A
Alternativas
Controlar directamente los dos caudales y ajustar los valores deconsigna a unos valores previamente calculados Medir el caudal de referencia A (no manipulable), multiplicarlo por R, y hacer B=R*A (punto de consigna del controlador de caudal)Medir ambos caudales, calcular la relación entre ellos (ratio real) y ajustar la válvula de producto B
Control de Relación (Ratio)
6Tema 5. Estructuras avanzadas de control
A(t), m3/h
B(t), m3/h
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
Objetivo: Mantener un relación constante entre los caudales A y B
Control de Relación (Ratio)
7Tema 5. Estructuras avanzadas de control
A(t), m3/h
B(t), m3/h
FT1
FC1
FT2
FC2
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)
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
Control de Relación (Ratio)
8Tema 5. Estructuras avanzadas de control
RAB=
∂∂
A(t), m3/h
B(t), m3/h
FT1
FY1B
FT2
FC2
R*A
SP
Solución A:
• medir el caudal de referencia (A)• SP para FC = R*A
•B=R*A Ganancia constante
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
Control de Relación (Ratio)
9Tema 5. Estructuras avanzadas de control
AR
AB
AB
−=−=∂∂
2
A(t), m3/h
B(t), m3/h
FT1
FY1B
FT2
RC1
B/A Controladorde relaciónSP (R)
Solución B:
• medir ambos caudales• calcular su relación (B/A)•Controlador PID cuyo SP es el valor de R deseado
•R=B/A Ganancia no lineal
Ejemplo: Sistema de mezcla de corrientes de proceso
Control de Relación (Ratio)
10Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Objetivo: Mantener bajo control (entendido como conseguir que no se superen determinados límites) varias variables de proceso manipulando una sola variable
Varios objetivos de control asociados a un proceso no pueden satisfacerse simultáneamenteNo es posible eliminar la desviación en todas ellas a cambios en la carga o en el punto de consignaEs necesaria alguna estrategia en que las variables controladas puedan compartir variables manipuladas
Control Selectivo
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.
11Tema 5. Estructuras avanzadas de control
TT1
TC1
TT2
TC2
TT3
TC3
PT1
PC1
TT4
TC1
gases decombustión
Horno
Th
SP
aire fuel
SP
SP
SP
SPMIN
Ejemplo: Sistema calentador
Control Selectivo
12Tema 5. Estructuras avanzadas de control
TT1
TC1
TT2
TC2
TT3
TC3
PT1
PC1
TT4
TC1
gases decombustión
Horno
Th
SP+bias
aire fuel
SP
SP
SP
SPMIN
TY4 >max
Control SelectivoEjemplo: Sistema calentador
13Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Control con restricciones a la entradaSe superan los límites del actuador (entrada al proceso)
• La variable de control alcanza los límites del actuador• El lazo de realimentación se rompe: el sistema trabaja como en bucle abierto• Consecuencia: transitorios largos y fuertes sobreimpulsos
Windup: Saturación del término integral• Se produce un crecimiento incontrolado del término integral de la señal de control• Se requiere que el error tenga sentido opuesto durante un periodo largo para retornar
al rango de actuación lineal• Estrategia AW (Anti-Windup): Esquema adicional de compensación. No es exclusivo
del PID
Otros métodos de diseño• Basados en técnicas predictivas y teorías de control más avanzadas• Restricciones tomadas en cuenta a priori• Necesidad de modelo
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Control con restricciones a la entradaESTRATEGIAS AW: Seguimiento Integral
Kp
Kp/Ti
e
+ 1 / s
+
1/ Tt
uru
+-
Modelo actuador
ew
Tt constante de tiempo de seguimiento
Lazo extra de realimentación para la acción integralObjetivo: pasar a cero la acción integral en un tiempo no nulo y cuyo valor depende de Tr. Tr: constante de tiempo de seguimientoCuanto más pequeña sea Tr, más rápido se resetea el integrador. Los valores aconsejados son Td < Tr < Ti Cuando el actuador no está saturado el lazo extra no produce ningún efecto
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Objetivo: protección para que ciertas variables de interés no superen determinados límites (restricciones)Estrategia para procesos en que varios reguladores con objetivos diferentes comparten un mismo actuadorMayor nº de variables controladas que manipuladasLa variable manipulada disponible se usa para controlar la variable de mayor interésPermite cambiar de variable controlada on-line: Varios objetivos de control asociados a un proceso no pueden satisfacerse simultáneamente
CONTROL OVERRIDE
Control con restricciones a la salida
16Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Control overrideEjemplo: Control del caudal de salida y nivel de un depósito
Objetivos:- flujo constante de líquido al proceso - evitar desbordamientos del tanque o que la bomba se descebe
Variables controladas: - caudal de alimentación al proceso- nivel del depósito
Única variable manipulada:- apertura de válvula de salida
h1(t)
h(t)
h2(t)
fe(t)
FT2
FC2
SP
f(t) Proceso
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h2(t)
Control overrideEjemplo: Control del caudal de salida y nivel de un depósito
h1(t)
h(t)
fe(t)
FT2
FC2
SP
f(t)
FY1B
LC11
LT11
max (h2)min (h1)
FC2 Controlador de flujoLC11 Controlador de nivelFY1B Selector
18Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Ejemplo: Control del nivel y del caudal del depósito
Control realimentado + overrideFC2: controlador por realimentación
• variable controlada: caudal de salida, f(t)• variable manipulada: apertura de válvula a la salida
LC11: controlador de nivel • Punto de consigna : h1 (valor mínimo permitido para el nivel)• Si el nivel está por encima del mínimo, h(t) > h1(t), el controlador solicita una apertura de válvula del 100 %• Si fe(t) se corta, el nivel puede bajar por debajo del mínimo haciendo que la bomba cavite. Solicita el cierre de la válvula
FY1B: selector de mínimo• Selecciona la apertura mínima solicitada entre FC2 y LC11• En condiciones normales el nivel estará por encima del mínimo, por lo que será FC2 el que gobierna la válvula • Cuando el nivel entra en zona restringida, h(t)< h1, FY1B da prioridad a la señal de LC11, cerrando la válvula para evitar que el tanque se vacíe. Se abandona temporalmente el objetivo de control de f(t)
El transmisor de nivel LT enviará la señal también a otro controlador, que deberá cerrar la válvula de entrada fe(t) si el nivel está por encima del máximo permitido (otro lazo)
Control override
19Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Control de gama partidaTambién denominado control de rango partidoCaso en que un regulador puede manipular dos o más actuadores. Mayor nº de variables manipuladas que controladas
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
Reactor
PT
PT
Selector
A B
SP
V1 V2
20Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Control de gama partidaEjemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B resultante de la reacción
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 V2La política a seguir está representada en la gráfica:• 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
0 %
100 %V1 V2
P
21Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Se utiliza cuando las perturbaciones significativas afectan más directamente a la variable de salida que se desea controlarEste tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la salida o de cargaUtiliza 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 salidaUn caso particular es el control de proporción o de relación
Gc GpSP PV
+- +
Gc
D
Control Anticipativo
22Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Se utiliza cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable 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 entradaUtiliza la medida de variables internas (auxiliares) para detectar rápidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción correctoraSe realiza mediante bucles de realimentación anidados
Gc GpSP PV+
Gc
+-
D
Control en Cascada
23Tema 5. Estructuras avanzadas de control
Control de procesos con grandes retardos
Los tiempos muertos o retardos puros constituyen una parte fundamental de la dinámica de muchos procesos industriales.
Tiempo muerto: es el que transcurre entre el momento en que se produce un cambio en una variable de entrada y el momento en que el efecto de esa variación se observa en la variable de salida.En procesos químicos suele deberse a:
• Tiempo que tarda un fluido o un material en circular de un punto a otro (retardo distancia-velocidad)• Mezcla imperfecta en un equipo tipo tanque agitado• Dónde se coloca el sistema de medida de la variable controlada
La realimentación simple resulta insuficienteCon objetor de preservar su estabilidad los lazos resultan lentos
Alternativa: Algoritmos específicos de compensación de tiempos muertos. Son de
carácter predictivosLa bondad de los métodos predictivos está en la exactitud del modelo