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SESIÓN 04
ESTRATEGIAS DE CONTROL
PROGRAMA DE CAPACITACIÓN CONTÍNUA Oscar W. Rodríguez R.
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Control en Cascada Sesión 04 :
SP
Estrategias de Control
LT
LC
FC
A. Control en cascada B. Cont Contro roll de de raz razón ón C. Contro Controll preal prealim iment entado ado D. Contro Controll de rango rango part partido ido E. Cont Contro roll sel selec ecto torr
a d FT a PI c s a Salida del Producto c n e Fig. 01 Control en cascada para para Nivel. l o r - El Sistema de Control t Control en Cascada utiliza utiliza dos controladores feedback . n de ellos, denominado denominado secundario o esclavo, esclavo, tiene salida al proceso (en el ejemplo el caudal). o - Solo uno de C - El denominad denominado o master o primario, primario, se utiliza para fijar el punto de consigna del secundario ( Control . de Nivel). A controlador primario, mientras que la medida de caudal caudal del . - La variable a controlar es medida por el controlador 4 secundario es una variable intermedia. NOTA :
En un Sistema de Control en Cascada, la dinámica del lazo secundario debe ser siempre más rápida que del primario, caso contrario no es posible que funcione
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Diagrama de Bloque de un Sistema de Control en Cascada
Control en Cascada El control en Cascada realiza dos funciones importantes:
a d a c s a c n e l o r t n o C . A . 4
Fig. 02 Diagrama de Bloque de un Siste de control en Cascada.
Si la perturbación ocurre en el lazo interior (caudal), el controlador secundario inicia la acción correctiva antes que se traslade al lazo de control exterior (nivel)
a d a c s a c n e l o r t n o C
- Reduce el efecto de los cambios de carga cerca de su fuente. - Mejora el control reduciendo el efecto de los retardos de tiempo (aplicaciones de temperatura y analíticas con retardos de tiempo generalmente largos).
. A . 4
Si la perturbación ocurre en el lazo exterior (nivel), el comportamiento de la cascada hace que se modifique el punto de consigna del lazo interior. En este caso el conjunto se comporta prácticamente como si fuera un solo control feedback .
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Sintonía
Control en Cascada: Nivel a la Salida del Tanque
Para la configuración de un sistema en casacada se debe dener en cuenta lo siguiente: a d a c s a c n e l o r t n o C . A . 4
- Colocar el controlador del lazo interno secundario en manual y sintonizarlo por cualquier procedimiento estudiado, luego colocar el controlador automático. - Sintonizar el lazo primario y colocar el controlador en automático.
Qe (t ) a d a c s a c n e l o r t n o C . A . 4
SP
LT
LC
FC
FT
PI
Qs (t )
Fig. 03 Control en cascada para Nivel, con válvula de control a la salida del tanque.
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Control en Cascada: Nivel a la Salida del Tanque
Ps ( s )
a d a c s a c n e l o r t n o C
r ( s )
+ -
LC
+ -
FC
Gv ( s )
Pr oc. Flujo
Control en Cascada: Nivel a la Entrada del Tanque
Qe (t )
Ge ( s ) Qs ( s) Deposito
H ( s)
G FT ( s )
G LT ( s)
. A . 4
a d a c s a c n e l o r t n o C . A . 4
Fig. 04 Diagrama de Bloque, con válvula de control a la salida del tanque.
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LC
H (t )
LT
Qs (t )
Fig. 05 Control en cascada para Nivel, con válvula de control a la entrada del tanque.
+ -
LC
+ -
FC
Gv ( s )
Pr oc. Flujo
Control en Cascada: Presión en Tanque
Qs ( s )
Pe ( s)
r ( s )
FC
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Control en Cascada: Nivel a la Entrada del Tanque
a d a c s a c n e l o r t n o C
FT
Qe ( s )
Deposito
G FT ( s )
G LT ( s)
. A . 4
H ( s )
a d a c s a c n e l o r t n o C . A . 4
Fig. 06 Diagrama de Floque, con válvula de control a la salida del tanque.
PC
r (t )
PT
PT (t ) FC
u (t )
FT
C Rq (t )
Ps (t )
Qs (t )
Qe (t ) P1
PT ΔPv
Fig. 07 Control en cascada: Presión
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Control en Cascada: Presión en Tanque
Qs ( s)
Pe ( s)
a d a c s a c n e l o r t n o C
r ( s)
+ -
PC
+ -
FC
Gv ( s )
Pr oc. Flujo
Control en Cascada: Temperatura
Qe ( s )
Tanque
P( s )
G FT ( s)
GPT ( s )
. A . 4
a d a c s a c n e l o r t n o C
Fmedio controlado T Salida TT 101 FV 101 FC 102
. A . 4
TC 101
FT 102
Fcombustible
Fig. 08 Diagrama de bloques, Sistema de Control de Presión. Fig. 09 Control en cascada: Temperatura.
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Aplicaciones : Torre de Destilación
Control en Cascada: Temperatura
a d a c s a c n e l o r t n o C . A . 4
¿ Cómo es el diagrama de bloques para el sistema de control de temperatura con Control en Cascada?
a d a c s a c n e l o r t n o C . A . 4
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Aplicaciones : Intercambiador de Calor
Sesión 04 : Estrategias de Control a d a c s a c n e l o r t n o C
A. Control en cascada
B. C. D. E.
. A . 4
Control de razón Control prealimentado Control de rango partido Control selector
Fig. 11 Control en cascada: Diagrama P&ID, Intercambiador de Calor.
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Control de razón
Control de razón
Como su nombre lo indica, éste control mantiene una razón o relación fija entre dos variables. n ó z a R e d l o r t n o C . B . 4
La aplicación más común es la de mantener una relación fija entre dos flujos (entiéndase por flujo a cualquier forma de transferencia de masa o de razón). Las aplicaciones mas comunes son: - Mezclado de dos o más componentes (pintura). - Control de aire-combustible, para un proceso de combustión (generadores de Vapor). - Control de flujo de un producto en función a la velocidad de alimentación, como una forma de control de composición (torres de destilación).
El esquema predominante es una razón ajustable entre la variable primaria o no controlada y el índice de control de la variable secundarias o controlada. n ó z a R e d l o r t n o C . B . 4
La variable NO controlada (primario) es medida, la variable controlada (secundario) está en función de la variable primaria.
Qs
(Q p )
= f
Qs = Br * Q p Donde:
Br =
Razón o relación entre la Variable
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Aplicación : Generadores de Vapor (aire/combustible)
Aplicación : Generadores de Vapor (Gaso-analizador)
u P (t ) G Ai
Gaso - Analizador:
VTF
n ó z a R e d l o r t n o C
n ó z a R e d l o r t n o C
FT Ai B R
HORNO FC C
FT C
u (t )
. B . 4
- Sensor que analiza los gases efluentes de la combustión (humo que sale del horno en dirección a la chimenea). - Analiza el CO, CO2, Nox, Sox, T. - Costoso - Mejora la eficiencia en el uso del combustible.
. B . 4
GC
Fig. 13 Control de Razón: Generador de Vapor (aire/combustible).
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Aplicación : Generadores de Vapor (Gaso-analizador)
Aplicación : Reactor Químico
Controlador de Presión de Vapor
n ó z a R e d l o r t n o C . B . 4
GC
FT C
HORNO
B R FC Ai
Gg
FT Ai
u (t )
GA
G Ai RO2 CC
n ó z a R e d l o r t n o C . B . 4 Fig. 15 Control de Razón: Reactor Químico.
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Aplicación : Mezcla caudal parcial caudal total Sesión 04 : Estrategias de Control n ó z a R e d l o r t n o C
A. Control en cascada B. Control de razón
C. Control prealimentado D. Control de rango partido E. Control selector
. B . 4 Fig. 16 Control de Razón:Mezcla caudal parcial caudal total.
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) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C . C . 4
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Control Prealimentaco (feedforward) - Es un sistema de control en la cual, la acción de control en un proceso, se realiza antes de que ocurra la desviación en la variable controlada. - La diferencia con el control realimentado, es que éste último actúa su senal de control sólo después de sensarse una desviación con respecto al set point (error). - El controlador feedforward, previene la desviación con el set point, para ello mide las variables que causan cambios de carga en el proceso y manipulando aquellas variables que cancelan los efectos de cambio de carga antes de que aparezcan las perturbaciones.
) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C . C . 4
Control Prealimentaco (feedforward) Cualquier proceso se puede describir en función de las relaciones existentes entre la salida y dos grupos de entrada: - La salida del proceso, variable controlada o dependiente (Vc) - La entrada del proceso, variable manipulada (Vm) - La entrada del proceso, variable de perturbación (Vp) Control Feedforward
Referencia
Variable Manipulada Variable de perturbación Alimentación
Proceso
Variable Controlada
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) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C
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Control Prealimentaco (feedforward)
Por lo tanto el proceso queda descrito por la siguiente ecuación:
Vc = Vm * Gm − Vp * Gp
... (I)
. C . 4
) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C
Aplicación: Intercambiador de Calor - La temperatura de salida es la variable controlada, el caudal del producto y su temperatura de entrada son sus variables de perturbación, mientras que el caudal de vapor es su variable manipulada.
. C . 4 Fig. 18 Control Feedforward: Intercambiador de Calor.
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) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C . C . 4
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Aplicación: Intercambiador de Calor - Aplicando el balance de energía obtenermos: Hs * Fs = Fp * Cp * (Ts − Te)
- Asumiendo que no existen otras perturbaciones, fijamos el caudal de vapor necesario para mantener ésta temperatura: Cp * ( R − Te) Fs = Fp * Hs
) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C . C . 4
Aplicación: Intercambiador de Calor - Si nos percatamos el modelo anterior, se basa el modelo en estado estacionario, en el cual no se contemplan las diferentes dinámicas que afectan a las variables en función de su propia naturaleza y el lugar dónde se encuentran ubicadas dentro del proceso. - Por ello, se debe realizar una compenzación dinámica, por lo cual introducimos en el proceso una función de tiempo (lead/lag ) en las variables de perturbación. Por consiguiente el modelo pasa a ser :
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) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C . C . 4
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Aplicación: Intercambiador de Calor Muchas veces existen influencias externas que producen errores en el cálculo. Como consecuencia, la temperatura de salida puede sufrir deriva, produciendo un error permanente. Éstas influencias pueden ser: - Cambio en la presión de vapor. - Cambio en las condiciones ambientales. - Ensuciamiento en los tubos en el intercambiador. Por ello se recurre a un procedimiento que sea capaz, de mantener la variable controlada en su valor de referencia. Éste procedimiento es el control feedback .
) d r a w r o f d e e f ( o d a t n e m i l a e r P l o r t n o C
Aplicación: Intercambiador de Calor Éste controlador mantendrá la temperatura en el valor de referencia deseado, corrigiendo los desequilibrios producido por las perturbaciones no medidas y los errores de cáculo.
. C . 4 Fig. 20 Control Feedforward con Feedback .
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Control de Rango Partido Sesión 04 : Estrategias de Control A. Control en cascada B. Control de razón C. Control prealimentado
D. Control de rango partido E. Control selector
o d i t r a P o g n a R e d l o r t n o C . D . 4
- Llamado tambien split range. - Estrategia de control que involucra el uso de dos válvulas, las cuales son operadas por el mismo controlador. - Se utiliza posicionadores de válvulas para establecer el rango de acción entre cada una de ellas. Banda Muerta Presión (psi) 3
9 Válvula A
9.6
15 Válvula B
- Se acostumbra dejar una banda muerta entre un rango y el otro, en algunos casos. En otros no es necesario o incluso puede ser necesario un traslape.
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Ejemplo: Control de Rango Partido o d i t r a P o g n a R e d l o r t n o C
Sesión 04 :
- La válvula A se cierra con una señal de 3-9 psi - La válvula B se abre con una señal de 9.6-15 psi
Estrategias de Control
PC
A. Control en cascada
Venteo
B
B. Control de razón
A Suministro de N 2
C. Control prealimentado
PT
D. Control de rango partido
. D . 4
E. Control selector
Fig. 21 Control Rango Partido.
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r o t c e l e S l o r t n o C . E . 4
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Control Selector
Control Selector
En muchas ocasiones, las variables medidas o salidas de controladores se debe seleccionar una de ellas, ya sea por razones de seguridad, eficacia, etc.
Se utiliza en aplicaciones en las que la variable de proceso es la variable a controlar durante la operación normal. En el caso de una operación anormal sin embargo, algunas otras variables de proceso podrían convertirse en la variable a controlar para prevenir que ésta exceda un límite del proceso o de un equipo. Se dice que el controlador limitante está “sobrepasando” o “dominando” al controlador normal del proceso.
En el caso sean variables medidas, el selector sólo realizará la función de selector puro, puesto que se trata de variables cuyo valor es fijo.
- Ejemplo: La temperatura mas alta en un reactor, la cual es utilizada como variable del proceso para un controlador, para ello selecciona entre los milivoltios generados por cada uno de los termopares implicados En el caso se trate de seleccinar variables de salidas, el seleccionará sólo una entre la de varios controladores, la variable seleccionada no es fija, sino flotante. La salida de los controladores no seleccionados, tienden a desplazarse hacia un extremo u otro del rango, dado que las salidas (PID) poseen la acción integral la cual tiende a saturar su salida en alguno de los extremos cuando existe error entre la variable medida y el punto de consigna.
r o t c e l e S l o r t n o C . E . 4
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Aplicación: Estación de Bombeo
r o t c e l e S l o r t n o C
Variable controladas: -Presión de aspiración - Presión de impulsión
Variable manipulada: - Válvula automática situada en la línea de impulsión
. E . 4
Aplicación: Intercambiador de Calor
r o t c e l e S l o r t n o C . E . 4
SP1
Fmedio controlado TT 102
TC 102
T Salida TT 101
FV 103 FC 103
TX <
TC 101
SP2
FT 103
Fcombustible
Fig. 23 Control Override: Estación de bombeo.
Fig. 22 Control Override: Intercambiador de calor.
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BIBLIOGRAFÍA
a c i f á r g o i l b i B a i c n e r e f e R *
[1] TECSUP “Gruía: Control de Procesos II” [2] Acedo Sánchez, José “Control Avanzado de Procesos” [3] Corripio & Smith “Control Automático de Procesos”
GRACIAS
[email protected]
