apuntes control de procesos

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CONTROL EN CASCADA

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.

Control de temperatura de un calefactor

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Control en cascada

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..

Para seleccionarla pueden seguirse los siguientes

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.

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.

La variable secundaria seleccionada debe proporcionar una estabilidad al control secundario con la ganancia ms alta que sea posible (BP ms baja).

Estos pasos a seguir estarn naturalmente basados en el conocimiento del proceso a controlar y conviene que se apliquen con sentido comn.

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.

Control de temperatura de un lquido en un tanque encamisado.

De esta figura se deriva la tabla siguiente para seleccionar la variable secundaria:

Es lgico seleccionar como variable secundaria la temperatura de la camisa. En la siguiente figura pueden verse varios ejemplos de control en cascada.

CONTROL DE RELACIN

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.

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:

1 1,5 0,75 2 1

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

Evidentemente 25% seal primario= 25/0,75=33,3% seal secundario=33,3% secundario.

salida salida

transmisor transmisor

Una aplicacin tpica del controlador de relacin se encuentra en la relacin flujo aire/flujo combustible en la combustin de una caldera de vapor.

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.

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

algunas aplicaciones introduciendo el control en cascada ya estudiado.

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).

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.

En la siguiente figura puede verse una comparacin entre controles de realimentacin, en cascada y en adelanto aplicados a un tpico intercambiador de calor.

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