9.- estrategias de control

7/26/2019 9.- Estrategias de Control

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Fundamentos de Medicin y Control de Variables Industriales 91

UNIDAD IX

"ESTRATEGIAS DE CONTROL"

1. INTRODUCCIN

Se ha revisado anteriormente aspectos importantes sobre los sistemas decontrol realimentados. Existen algunas aplicaciones sin embargo en lascuales no basta con tener un lazo simple como el estudiado para un controlptimo de uno o ms procesos. Se requieren entonces algunas variacionessobre lo anterior que son conocidas como estrategias de control.

2. OBJETIVOS

Reconocer las estrategias de control ms importantes.Identificar las caractersticas y aplicaciones de las mismas

2.1 Control en cascada

Es una tcnica que usa dos sistemas de medicin y control paramanipular un solo elemento final de control. Su propsito es

incrementar la estabilidad en problemas de control de procesosparticularmente complejos. Esta ha sido usada durante aos y es muyefectiva en muchas aplicaciones.

La relacin que existe entre los controladores es referida a unadenominada de maestro-esclavo o de primario-secundario. La unidadmaestra es el controlador de la variable cuyo valor es el de principalimportancia. Por ejemplo en la figura 1 se simboliza un quemador, endonde el calor obtenido de la combustin de aire con combustible setransfiere a un determinado material, esta variable principal seratemperatura.

El esclavo o unidad secundaria, es el controlador de la variable cuyovalor es importante slo si afecta a la variable primaria. En el ejemploanterior podra ser el flujo de combustible que alimenta al quemador.Se puede lograr un control de temperatura ms cercano y estable conel sistema en cascada que con un control realimentado simple.

El control en cascada realiza dos funciones importantes: reduce elefecto de los cambios de carga cerca a su fuente y mejora el controlreduciendo el efecto de los retardos de tiempo. La segunda mencines la ms obvia; tpicamente ocurre en aplicaciones de temperatura y

analticas en donde estos retardos de tiempo son generalmentelargos.


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El otro efecto es menos obvio y tal vez es mejor explicarlo tomandoen cuenta el sistema simple. En la en el esquema superior de la figura1 se muestra un control realimentado simple de temperatura del

quemador antes mencionado. Aqu la temperatura es enviada por eltransmisor (TT) al controlador (TC), e cual regula directamente elflujo de combustible de entrada a travs de la vlvula de control.

Este sistema trabaja muy bien excepto, cuando los disturbios ocurrenen el sistema de alimentacin (ingreso de material; en la figuradescrito como medio controlado) o cuando las variaciones del flujo decombustible afectan a la temperatura. Debido a la capacidad delfluido en el tanque y al retardo, el controlador no detectainmediatamente los disturbios. Al tiempo que se hace la detencin,probablemente el disturbio haya desaparecido y se produzca una

accin cclica.

Figura N 1: Comparacin entre control simple y en cascada

El esquema inferior de la figura 1 muestra cmo opera un sistema encascada. El flujo de alimentacin de combustible es medido a travs

TT

TC

F combustible

F medio controlado

T salida

FC

FT

TT

TC

F combustible

F medio controlado

T salid a


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del transmisor de flujo (FT) y controlado para mantenerlo en el valordeseado, independientemente de las variaciones del suministro. Elcontrolador de temperatura es puesto en cascada con el controlador

de flujo (FC), de modo tal que otras variaciones como velocidad dealimentacin del producto, efectos de la temperatura ambiente yotros, sean superados, mantenindose la variable principal(temperatura) al punto deseado.

La salida de este controlador viene a ser el set point del controladorde flujo, variando lo que fuese necesario para mantener unatemperatura correcta.

Los sistemas en cascada no son siempre la solucin para todacondicin inestable en el proceso o para problemas de retardo de

medicin; sin embargo, proveen soluciones satisfactorias paramuchos problemas de aplicacin.

2.2 Control de razn

Como su nombre lo indica, este tipo de control debe mantener unarazn o relacin fija entre dos variables. La aplicacin ms comn esla de mantener una relacin fija entre dos flujos y tales como aire-combustible en hornos, material de alimentacin y catalizador enreactores y mezclas de dos o ms materias primas en operaciones de

mezclado. Existen algunas variaciones de esquemas de controlusados para obtener una razn entre dos variables.

El esquema predominante desde hace varios aos usa una raznajustable entre la variable primaria o no controlada y el ndice decontrol de la variable secundaria o controlada. Aqu el flujo nocontrolado (primario) es medido y usado para controlar el otro flujo(secundario) para mantener la razn deseada.

Para este fin se han empleado por mucho tiempo equiposdenominados estaciones de razn con una escala ajustable en forma

manual; posteriormente se emplearon controladores especiales.Actualmente esta relacin se ajusta por software como una opcin encontroladores digitales que reciben las dos seales de campocorrespondientes a las variables controlada y no controlada yentregan la seal de ajuste al elemento final de control en funcin aesta razn y al tipo de control elegido.

La variable primaria no es siempre no controlada. A veces pordiferentes razones tambin se controla. Como en el caso anterior, laseal transmitida primaria es alimentada a un dispositivo de razncuya salida fija el punto de control del controlador secundario. Alusar sistemas de control de razn, uno debe asegurarse que ambasmediciones estn en las mismas unidades (ejemplo galones por


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minuto, libras por hora, etc.) y que las escalas usadas sean lasmismas.

Los sistemas de control de razn son muy comunes en procesos demezclado en donde se requieren altas precisiones en la relacin demezcla. En la figura 2 se tiene un sistema de mezclado. Las sealesrepresentativas de los flujos medidos por los transmisores de flujorespectivos (FT-1 y FT-2) son enviadas al controlador de razn (FFC)para ajustar el flujo secundario a travs de la vlvula de control (FV).La razn como se ha mencionado es ajustada en el mismocontrolador.

Figura N 2: Control de razn

FV

FT

2

FT

1

FFC

flujo controlado flujo no controlado

salida


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2.3 Control prealimentado (Feedforward)

Consiste en la aplicacin de una accin de control a un proceso antes

de que ocurra una desviacin en la variable controlada. En estepunto, todas las discusiones sobre los principios de control se hancentrado de modos de control que utilizan el concepto derealimentacin (feedback) para regular variables de procesos. Elcontrol realimentado acta slo despus de sensarse una desviacincon respecto al set point. El control prealimentado tericamentepreviene esa desviacin. Esto lo logra midiendo las variables quecausan cambios de carga en el proceso y manipulando aquellasvariables que cancelan los efectos de cambios de carga antes de queaparezcan las perturbaciones.

Esta tcnica no es comn en sistemas de control convencionales,debido tal vez, al poco conocimiento acerca del balance de energasde un proceso. Ms bien es aplicable a sistemas de un controlador porcomputador o lazos de control convencionales, a los cuales se les haaadido funciones de computacin o clculo para incrementar suscapacidades de control.

Este tipo de control es ms aplicable a procesos difciles de regular.Adicionalmente, se requiere un gran conocimiento del proceso y decmo va a reaccionar el cambio de carga. El uso de este control se damucho en sistemas en los cuales hay retardos de tiempo apreciables.

Una falla de control prealimentado es su dependencia a la precisin.Para obtener un control perfecto, es necesario modelar exactamente elsistema. Esto no es posible debido a que las cargas y variablesmedidas son imprecisas y la informacin acerca de un proceso esrelativamente insuficiente. Para permitir un mejor control, a menudosu usan lazos alimentados cuando se usa un control prealimentado.Sin embargo, el rol del control realimentado es reducido en este caso.

En suma, hay algunas condiciones que permiten que el controlprealimentado sea una tcnica efectiva. Sin embargo, su necesidad deun mayor conocimiento del proceso para disear el sistema lo hace

ms complejo que el control realimentado y por su naturaleza,impide la produccin masiva de sistemas prealimentados ajustables.

2.4 Control de rango partido (Split Range)

Este tipo de control involucra dos vlvulas operadas por el mismocontrolador. Utilizando posicionadores de vlvula es posibleestablecer el rango de accin para cada una de las vlvulas. Bajociertas condiciones, es a menudo deseable tener una pequea bandamuerta entre las operaciones de las vlvulas; el porcentaje de bandamuerta vara segn la aplicacin. En algunos casos no se necesita una

banda muerta y en otros se necesita un traslape en la accin de lasvlvulas.


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En la figura 3 podemos observar un ejemplo de esta estrategia. Setrata de controlar la presin de un gas en el tanque, manipulando lavlvula de ingreso (A), de modo tal que a medida que la presin

(medida por el transmisor PT) se va incrementando, el controlador(PC) enva una seal en ascenso de 3 a 15 psi para ir cerrando lavlvula.

Es importante sealar que A obedece a una parte de la seal decontrol (3-9 psi para el ejemplo). En realidad esto solamente se logracon la presencia de un posicionador de vlvula que trabaja calibradopara ese rango. Si la presin debe ser disminuida, la seal delcontrolador, que debe ser en estas condiciones mayor que 9.6 psi (seha empleado una banda muerta en este caso), ir abriendo la vlvulade venteo (B), la cual debiera estar totalmente para una seal de 15

psi. Del mismo modo, B trabaja con un posicionador calibrado para elrango de 9.6-15 psi.

Figura N 3: Control de rango partido

2.5 Control por programa

Es usado tanto en procesos continuos como en procesos tipodiscontinuos para controlar operaciones de mezclado para eventossecuenciales, en operaciones de secado para controlar procesos batcho para otros esquemas de control que involucran secuenciasrepetitivas de eventos.

PC

Suministro de N2

La vlvula A se cierra con

una seal de 3-9 psi

La vlvula B se abre con

una seal de 9.6-15 psi

Venteo

PT

A

B


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Los controladores programables varan en complejidad y enflexibilidad de su ajuste. Actualmente, la secuencia de eventos puedefcilmente controlarse con los denominados controladores lgicos

programables (PLC).

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