APUNTES Control de Procesos

Download APUNTES Control de Procesos

Post on 25-Jul-2015

52 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<p>CONTROL EN CASCADA</p> <p>Una de las caractersticas para mejorar la estabilidad de un circuito complejo es el empleo del control en cascada. Su utilizacin es conveniente cuando la variable controlada no puede mantenerse dentro del punto de condigna, por ptimos que sean los ajustes del controlador, debido a las perturbaciones que se producen en alguna condicin del proceso.</p> <p>Control de temperatura de un calefactor</p> <p>Cuando la temperatura medida se desva del punto de consigna, el controlador varia la posicin de la vlvula de combustible, y si todas las caractersticas del combustible (presin, viscosidad) y del producto permanecen constantes, el control ser generalmente bueno.</p> <p>Sin embargo, si una de las caractersticas, por ejemplo la presin, cambia de forma incontrolada, el flujo a travs de la vlvula seguir la misma variacin aunque su vstago permanezca fijo. Cambiar pues la temperatura y, al cabo de un cierto tiempo dependiente de las caractersticas de capacitancia, resistencia y tiempo de transporte del proceso- las variaciones de temperatura llegarn al controlador y este reajustara la posicin de la vlvula de acuerdo con las acciones de que disponga.</p> <p>Ser una casualidad que las correcciones del controlador eliminen totalmente las perturbaciones en la presin de combustible, ya que estas perturbaciones son totalmente al azar y hay un retardo entre las mismas y el envo de la seal de correccin del controlador a la vlvula. Por lo tanto, las continuas perturbaciones en la presin, no slo darn lugar a una correccin continua e innecesaria en la vlvula, sino que perjudicarn el logro de una buena regulacin pudiendo incluso impedir totalmente el control del proceso.</p> <p>Ntese que el control de temperatura se realiza mediante la aportacin del calor cedido por el combustible que pasa a travs de la vlvula, es decir, la temperatura es regulada ms bien por el flujo de combustible (si la calidad de combustible es constante) que por la posicin del vstago de la vlvula. Ntese que el flujo no esta controlado, y que es de inters secundario (variable secundaria), pero es evidente que sus fluctuaciones afectan a la variable temperatura, la que necesariamente es de inters principal (variable primaria) en el control del proceso.</p> <p>Desde el punto de vista de rapidez en el control del proceso sera muy conveniente el ajuste rpido de posicin de la vlvula tan pronto como se presenta una perturbacin en la presin del combustible, mientras que las variaciones de temperatura ms lentas que pueden producirse por otras causas deben ser corregidas para mantener la temperatura en el punto de consigna.</p> <p>Si la seal de salida del controlador de temperatura (primario) acta como punto de consigna de un instrumento que controle el flujo y cuya seal de salida ajuste la posicin de la vlvula, este segundo controlador (secundario) permitir corregir rpidamente las variaciones de flujo provocadas por perturbaciones en la presin de combustible, manteniendo el sistema en todo momento la capacidad para controlar la temperatura con el instrumento primario.</p> <p>Estos dos instrumentos conectados en serie actan manteniendo la temperatura constante, el controlador de temperatura manda y el flujo obedece. Esta disposicin se denomina control en cascada, y puede verse en la siguiente figura conjuntamente con su diagrama de bloques.</p> <p>Control en cascada</p> <p>Para que el control en cascada sea eficaz es necesario escoger adecuadamente la variable secundaria teniendo en cuenta las perturbaciones que pueden presentarse y las velocidades de respuesta de los distintos componentes del proceso..</p> <p>Para seleccionarla pueden seguirse los siguientes</p> <p>pasos: Dibujar el diagrama de bloques del posible sistema en cascada. El lazo secundario debe incluir la perturbacin posible ms importante. El lazo secundario debe ser de respuesta rpida y para ello debe incluir los retardos mnimos del sistema de control. Como gua, la relacin-constante de tiempo del lazo principal/constante de tiempo del lazo secundario= TP/TS debe ser como mnimo de 3, e idealmente de 5 a 10.</p> <p> Los puntos de consigna de la variable secundaria deben estar relacionados directamente con los de la variable primaria y, a ser posible, su relacin debe estar representada por una recta en preferencia a una lnea curva. De este modo se simplificar el ajuste del controlador primario. El lazo secundario debe contener el mayor nmero posible de perturbaciones mientras sea suficientemente rpido.</p> <p> La variable secundaria seleccionada debe proporcionar una estabilidad al control secundario con la ganancia ms alta que sea posible (BP ms baja).</p> <p>Estos pasos a seguir estarn naturalmente basados en el conocimiento del proceso a controlar y conviene que se apliquen con sentido comn.</p> <p>Como ejemplo de los mismos puede verse en la siguiente figura la aplicacin del control en cascada al control de temperatura de un lquido en un tanque encamisado.</p> <p>Control de temperatura de un lquido en un tanque encamisado.</p> <p>De esta figura se deriva la tabla siguiente para seleccionar la variable secundaria:</p> <p>Es lgico seleccionar como variable secundaria la temperatura de la camisa. En la siguiente figura pueden verse varios ejemplos de control en cascada.</p> <p>CONTROL DE RELACIN</p> <p>El control de relacin es un sistema de control en el que una variable de proceso es controlada con relacin a otra variable. Mientras que el control en cascada es slo un mtodo que mejora la regulacin de una variable, el control de relacin satisface una necesidad especfica, el control de la relacin entre dos cantidades.</p> <p>Estas cantidades suelen ser flujo es de fluidos, tal como puede verse en la figura anterior. La seal del transmisor de flujo es multiplicada por un factor fijado manual o automticamente. La seal de salida del multiplicador es el punto de consigna del controlador cuya seal de salida acta directamente sobre la vlvula de control.Hay que sealar que el ajuste del rel de relacin es funcin de los campos de medida relativo de los transmisores. Si en el ejemplo de la figura anterior, el transmisor del flujo variable (sin controlar) tiene un campo de medida 1,5 veces mayor que el del transmisor del flujo controlado y se desea que el flujo controlado est siempre en la proporcin de 1:2 con relacin al flujo variable, deberemos ajustar el dial del rel de relacin en la posicin:</p> <p>1 1,5 0,75 2 1</p> <p>Por otro lado, los campos de medida de los transmisores deben estar expresados en las mismas unidades, y es necesario considerar sus campos de control que influirn inevitablemente en la precisin de la relacin entre las dos variables. En efecto, si los transmisores son cuadrticos con la rangeability 4:1 y hay que mantener una razn de 0,75 el controlador perder su precisin cuando el flujo variable (primario) baja por debajo de 0,25% de su campo de medida, lo que equivaldr a que se pierda tambin la precisin si el flujo controlado (secundario) es inferior a 33% de su campo de medida, ya que el instrumento tiende a mantener su punto de consigna encaudal primario 0,75 caudal Secundario</p> <p>Evidentemente 25% seal primario= 25/0,75=33,3% seal secundario=33,3% secundario.</p> <p>salida salida</p> <p>transmisor transmisor</p> <p>Una aplicacin tpica del controlador de relacin se encuentra en la relacin flujo aire/flujo combustible en la combustin de una caldera de vapor.</p> <p>CONTROL EN ADELANTOEl control de realimentacin es la tcnica ms comn empleada en el control de proceso. En este tipo de control la seal de salida (variable controlada) es comparada con un valor deseado (punto de consigna) y, la seal de error acta sobre el controlador.</p> <p>En sistemas que poseen tiempos de retardo importantes con desviaciones de magnitud y duracin distintas, la seal de error es detectada mucho tiempo despus que se ha producido el cambio de carga, por lo cual, la correccin correspondiente es retardada y ocurre a veces que acta cuando ya no es necesaria porque se ha eliminado el cambio de carga que dio lugar a la correccin. Este problema puede resolverse en</p> <p>algunas aplicaciones introduciendo el control en cascada ya estudiado.</p> <p>El control en cascada es realmente un lazo de control secundario dentro de otro primario, con una respuesta suficientemente rpida establecida considerando que la relacin entre las constantes de tiempo del lazo primario al secundario sea de tres o mayor. Por lo tanto, aunque el control en cascada sea suficientemente rpido ante perturbaciones de la variable secundaria no deja de tener el inconveniente de necesitar que se produzca una desviacin antes de actuar, con el peligro de que slo responde rpidamente ante la variable secundaria sin que acte del mismo modo ante variaciones en la variable primaria (por ejemplo el flujo o la temperatura del producto de entrada).</p> <p>El control en adelanto parte de la medida de una o ms variables de entrada y acta simultneamente sobre la variable manipulada que produce la salida deseada del proceso.</p> <p>En la siguiente figura puede verse una comparacin entre controles de realimentacin, en cascada y en adelanto aplicados a un tpico intercambiador de calor.</p> <p>Ntese que el control en adelanto requiere un conocimiento exacto y completo de las caractersticas estticas y dinmicas del proceso, en particular la relacin entre el flujo del producto y la temperatura de salida, la influencia que tienen las perturbaciones en la presin del vapor, en la temperatura del producto de entrada, en el rendimiento del intercambiador, etc. Es decir, la relacin entre la temperatura de salida y el flujo de entrada constituye un modelo de proceso y es la funcin de transferencia del sistema de control en adelanto. Evidentemente, el control es quien debe responder con esta funcin pero como es lgico, su eficacia depende de la precisin que se consiga en la medida de la variable o variables de entrada y de la precisin alcanzada en el modelo calculado del proceso. Por otra parte, hay que sealar que es costoso y a veces imposible determinar y duplicar el modelo exacto del proceso. Por lo tanto, siendo realmente un control en lazo abierto, su aplicacin aislada dar lugar a un offset significativo, es decir, la temperatura de salida se apartar significativamente de la deseada.</p> <p>En resumen, puede afirmarse que el control de realimentacin puede controlar bien en rgimen permanente, pero no lo hace satisfactoriamente en condiciones dinmicas de funcionamiento del proceso. En cambio, el control en adelanto es capaz de seguir rpidamente los cambios dinmicos, pero pude presentar un offset considerable en la variable de salida.</p> <p>Afortunadamente, las dos tcnicas pueden combinarse para obtener un control dinmico sin offset, tal como puede verse en la siguiente figura.</p> <p>En esta figura el controlador en adelanto es de accin derivada; de este modo si el flujo es fijo la seal procedente del controlador de temperatura pasa sin cambios hacia la vlvula. En cambio, si se presentan variaciones en el flujo, la seal derivada correspondiente se suma o se resta, segn el sentido de la variacin, a la de temperatura. De este modo, los cambios de carga en el flujo del producto son detectados y corregidos inmediatamente y compensan los cambios anticipados que, por esta causa, pudieran producirse en la temperatura. Esta disposicin recibe el nombre de control en adelanto esttico.</p> <p>El control combinado anterior es relativamente sencillo, no tiene en cuenta las perturbaciones posibles en el vapor ni las variaciones en la temperatura del producto de entrada, ni la velocidad del producto a travs del intercambiador. En la siguiente figura se presenta otro tipo de control en adelanto ms perfecto, que recibe el nombre de control en adelanto dinmico (el bucle de control se ajusta ms a las caractersticas dinmicas del proceso) combinado con el clsico control de realimentacin.</p> <p>En esta figura pueden verse varios instrumentos particulares:</p> <p>X Multiplicador con bias- La seal de salida es 0=K1Qpt2 K2, con K1 como ganancia que ajusta la respuesta del sistema y K2 como bias que ajusta indirectamente la temperatura deseada del producto.- Rel adelanto/retardo para acoplar las caractersticas dinmicas del bucle de control a las caractersticas dinmicas del proceso. Esta compensacin se requiere slo en los intercambiadores de calor de gran capacidad donde es beneficioso adelantar la seal de flujo de producto porque existe retardo en la aportacin calorfica al producto una vez a aumentado el flujo de vapor. En los dems intercambiadores el producto pasa muy rpido a travs del intercambiador, por lo que el flujo de vapor debe variar al mismo tiempo que cambia el flujo o la temperatura del producto y el rel es innecesario.</p> <p>Si la instalacin fuera un secadero de slidos, el producto circulara lentamente y el rel de compensacin debera retrasar la seal del flujo del producto. El control en adelanto es til en los siguientes procesos:</p> <p> Procesos con tiempos muertos y retardos considerables, difciles o casi imposibles de controlar con el clsico control de realimentacin (caso ms frecuente de aplicacin del control en adelanto). Procesos en los que la variable a controlar no puede medirse con precisin o de modo continuo. Procesos en los que la variable a controlar no es fija y viene determinada por otra variable o variables que deben ser mximas o mnimas.</p> <p>CONTROL DE GAMA PARTIDA</p> <p>(RANGO DIVIDIDO)</p> <p>El control de gama partida (split-range control) es una forma de control en el que una variable manipulada tiene preferencia con relacin a otra u otras del proceso.</p> <p>En la siguiente figura se muestra el Control de gama partida en dos intercambiadores de calor en serie.</p> <p>La instalacin se utiliza para calentar un producto cuyo flujo es muy variable; cuando es bajo basta un solo intercambiador para calentarlo y cuando la fabricacin es la mxima son necesarios los dos. Suponemos que, desde el punto de vista de seguridad, las vlvulas deben cerrar en caso de fallo de aire, por lo cual el controlador de temperatura debe ser de accin inversa (al aumentar la temperatura baja la seal de salida). Si el flujo del producto es bajo, actuar la vlvula de vapor V-1 porque la seal de salida estar comprendida entre 50-100% (9-15 psi). A medida que aumenta el flujo, el controlador de temperatura baja la seal gradualmente hasta que, cuando la seal baja de 50% (9 psi), la vlvula V-1 permanece totalmente abierta con el primer intercambiador trabajando al mximo, y la vlvula de control V-2 empieza a abrir iniciando el funcionamiento del segundo intercambiador.</p> <p>A un flujo mximo determinado, las dos vlvulas de control estn abiertas y los dos intercambiadores trabajan al mximo.</p> <p>La particin de la seal se logra usualmente mediante posicionadores acoplados a las vlvulas de control que convierten el campo de seal de entrada (0-50% 50-100%) en todo el campo de variacin estndar 3-15 psi.</p> <p>SISTEMA DE CONTROL DE SALIDA MULTIPLE</p> <p>Con frecuencia surge la necesidad de controlar una variable simple coordinando la manipulacin de las variables paralelas, todas tienen e...</p>