Archivo de Word - Laboratorio de Control Automático

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS CD. JUÁREZ
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
PRÁCTICA 8
ESTRATEGIAS AVANZADAS DE CONTROL
(ESTACIÓN DE NIVEL)
Rosa Elia Chacón
Diana Delgado
Carlos Hernández
Objetivos:
• Conocer la estrategia de control antealimentado y en cascada
• Proponer las estrategias de control en el sistema de control de nivel.
Fundamentación teórica:
Hasta aquí se ha visto como solución para el control, el control retroalimentado
(feedback).
El control retroalimentado tiene como ventajas:
• Es muy simple.
• Compensa el efecto sobre la variable controlada de todas las perturbaciones.
La desventaja es que puede compensar una perturbación sólo después que la variable
controlada se ha afectado. La perturbación (y su efecto) tiene que propagarse por todo el
lazo antes de que el controlador pueda tomar alguna decisión.
Hay procesos en los cuales debe atenderse este problema del efecto de las perturbaciones
sobre la variable controlada y su corrección de manera prioritaria, ya sea porque en él
existen perturbaciones que actúan muy frecuentemente o de forma muy fuerte, o porque
es muy importante que se mantenga a la variable controlada en valores muy cercanos al
valor deseado (set point) por la afectación que puede producir en otros subprocesos y en
la calidad del producto final.
En estos casos pueden emplearse otros esquemas de control, como son:
• Control anticipatorio (feedforward).
• Control en cascada.
Veamos el siguiente ejemplo, un reactor químico vaso-camiseta en el que es
preciso controlar la temperatura del producto.
El diagrama de bloques con el lazo convencional de control es:
Como se observa en el diagrama de bloques existen 3 perturbaciones que
afectan a la variable controlada: la temperatura de entrada del agua de
enfriamiento (q3), la temperatura de entrada del producto (q1) y el caudal de
entrada del producto al reactor (F1).
Supongamos que la temperatura del agua de enfriamiento (q3) varía
frecuentemente. Para que el sistema de control efectúe una corrección, la
acción de esa temperatura tiene que propagarse hasta (q2), medirse y actuar
sobre la válvula de control.
Una manera de mejorar esta situación es con el llamado Control Anticipatorio
(feedforward).
En el Control Anticipatorio se mide la perturbación y se alimenta hacia delante
para actuar directamente sobre la válvula.
Control Anticipatorio (feedforward):
Objetivo: que la salida del sistema (variable controlada) no se afecte por una
perturbación dada.
Para que C(s) no esté afectada por L(s), entonces:
Luego, si se sitúa una rama anticipatoria con la Función de transferencia adecuada, puede
lograrse que C(s) no esté afectada por las variaciones en la perturbación L(s).
Consideraciones prácticas:
• La perturbación L(s) tiene que ser medible.
• Generalmente GL, GV, etc., se conocen solo aproximadamente, o se emplean modelos
para representarlos a los que se llegó a partir de consideraciones que son aproximaciones
de la realidad.
• La GCA obtenida puede no ser realizable exactamente y si tiene varios ceros, esto hace
que el sistema resulte mas sensible al ruido. Generalmente, en la práctica, la condición de
imperturbabilidad no se alcanza totalmente.
Control en Cascada:
Cuando el proceso puede descomponerse en dos subprocesos en los que existe una
variable intermedia que es afectada también por la perturbación principal de manera tal
que ese efecto aparece antes del efecto de la perturbación sobre la variable controlada, se
puede establecer un esquema de Control en Cascada con el que se mejora
apreciablemente la calidad del control.
En el Control en Cascada se habilita un lazo de control interno a partir de la medición de
la variable intermedia con un controlador que actúa directamente sobre la válvula y cuya
referencia la recibe del controlador principal.
Utilizando como ejemplo el reactor con control de temperatura:
Cuando la perturbación en el lazo interno comienza a actuar, su efecto se reflejará en la
variable intermedia del proceso y a través de este lazo con el controlador secundario,
corregirá dicho efecto antes de que su acción sobre la variable controlada sea apreciable.
Con respecto a las otras perturbaciones, que no están dentro del lazo interno (o
secundario), la existencia de dicho lazo hace que la t equivalente de (1) a (2) sea menor
que la que habría sin dicho lazo interno (t12LC < t12LA) por lo que la corrección de su
efecto en la variable controlada será mas rápida.
Por esto se acostumbra en Gc2 utilizar un control P con alta ganancia, pues a mayor K,
menor t12LC. El controlador principal Gc1 generalmente es un PI para lograr que el eee
sea 0.
El control en cascada del reactor químico con control de temperatura queda
como en la figura.
Consideraciones prácticas:
• Tiene que existir una variable intermedia del proceso medible.
• El lazo interno deberá tener un buen comportamiento como
servomecanismo, pues será constantemente afectado en su referencia.
• El mejor efecto sobre las perturbaciones se logra cuando la perturbación
más frecuente y mas fuerte está en el lazo interno de control.
Desarrollo de la práctica:
1) El instructor hará una breve descripción de la implementación de la
estrategia de control cascada y antealimentado en la estación de nivel.
IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL EN CASCADA PARA LA ESTACIÓN DE NIVEL
El control en cascada anida un lazo de control dentro de otro, en el caso de la
estación de nivel, el primer lazo controla el flujo de entrada al sistema debido a las
variaciones naturales del flujo suministrado, es decir, variaciones debido a la presión de
líquido en la bomba. Para controlar este flujo utilizamos un controlador de flujo, un
medidor de flujo en la línea de entrada y el elemento de acción final es la válvula de
control. En el lazo de control exterior tenemos el controlador de nivel, el medidor de
nivel dentro del tanque, la perturbación ocasionada por la válvula solenoide a la salida y
el elemento de acción final es la misma válvula de control que la del lazo interno.
El diagrama de bloques propuesto para la estación de nivel para el control en cascada es:
Diagrama del control en cascada utilizando la simbología ISA para los componentes
reales de la estación de nivel:
METODOLOGÍA PARA LA SINTONIZACIÓN DEL CONTROL EN CASCADA
1. Poner en modo manual el controlador de lazo externo.
2. Sintonizar el controlador de lazo interno de acuerdo con la metodología descrita
en la práctica 5(Prueba y error, Ziegler-Nichols, Criterios Integrales)
3. Obtener la función de transferencia para el controlador de lazo interno.
4. Utilizando la función de transferencia obtenida en el paso anterior y poniendo el
controlador de lazo interno en automático, se procede a sintonizar el controlador
del lazo externo. (El controlador de lazo interno se modela como un bloque
simple cuyos parámetros son invariantes).
5. Poner a funcionar los dos controladores en función automática con los parámetros
previamente adquiridos.
IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL ANTEALIMENTADO (FEED FORWARD)
PARA LA ESTACIÓN DE NIVEL
El principio de funcionamiento del control antealimentado es medir de alguna manera la
perturbación y agregar un compensador antes de terminar el lazo de control, con lo cual
se logra contrarrestar la influencia de la perturbación dentro del sistema. Utilizamos el
controlador de nivel, la válvula de control, el medidor de nivel como se utilizaban en el
control retroalimentado ya visto anteriormente, la diferencia aquí es que entra la
perturbación antes de la planta (tanque), pero también se mide y es modificada mediante
la función FY que entra directamente a la válvula de control, con lo que se logra que la
perturbación no afecte al sistema, ya que ha sido tomada en cuenta por la válvula.
A continuación se presenta el diagrama de bloques propuesto para la estación de nivel.
Diagrama del control antealimentado (feed forward) utilizando la simbología ISA para
los componentes reales de la estación de nivel:
METODOLOGÍA
PARA
LA
SINTONIZACIÓN
ANTEALIMENTADO (FEEDFORWARD)
DEL
CONTROL
1. Se obtiene la función de la antealimentación a la perturbación.
2. Utilizando la simplificación de bloques, se reducen los bloques que se encuentran
entre el controlador y el tanque a uno solo.
3. Utilizando la metodología de sintonización del controlador que más convenga
(Práctica 5), se procede a encontrar los parámetros del controlador.
4. Se pone a funcionar el controlador en forma automática con los parámetros
obtenidos anteriormente.
Conclusión:
Como hemos visto a lo largo del semestre el control retroalimentado es útil para el
proceso, pero se puede mejorar utilizando otras técnicas de control avanzado como las
vistas en esta practica. Es interesante como se puede evitar o minimizar el efecto de la
perturbación en el sistema al medirla y anticipar su contribución. Cuando existen
diferentes perturbaciones que afectan el mismo sistema se puede proponer un lazo interno
que controle el efecto de una perturbación y mantener el lazo externo controlando el
proceso y la perturbación restante.
Ahora sabemos que existen más opciones para mejorar el control de los procesos y
minimizar su error en estado estacionario.
Bibliografía:

Ingeniería de Control Moderna. Prentice Hall. Ogata, 2003.