ISA. UVA 1

Estructuras de control

(Control avanzado)Prof. Mª Jesús de la Fuente

Dpto. Ing. de Sistemas, UVA

ISA. UVA 2

Estructuras de control

• Modificaciones de lazos de control convencionales para mejorar:– Rechazo de perturbaciones– Mantenimiento de proporciones– Operación con varios objetivos– Operación con varios controladores– Operación con varios actuadores– Etc.

ISA. UVA 3

Estructuras de control

• Control en cascada• Control feedforward• Control ratio• Control selectivo• Control override• Control de rango partido (split range)• Control inferencial• Ejemplos de control de varias unidades de procesos• Metodología de diseño

ISA. UVA 4

Lazo de control simple

TT

uTC

w

q T

Condensado

pa

Fv

Respuesta ante cambios en la presión de alimentación: Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el regulador modificando u

ISA. UVA 5

Diagrama de bloques

uW T

pa

Reg Vapor Cambiador

q

Fv

TT

TC

T

Condensado

ISA. UVA 6

Reguladores en Cascada

TT

TC

w

q T

Condensado

pa

Fv

FC

FT

El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv antes de que alcancen al cambiador significativamente

ISA. UVA 7

Reguladores en cascada

W T

pa

TC Vapor Cambiador

q

FvFC

El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv antes de que alcancen al cambiador significativamente

ISA. UVA 8

Reguladores en cascada

W T

pa

TC Vapor Cambiador

q

FvFC

Proceso principal (TC-Cambiador) lento Proceso secundario (FC-Vapor) rápido Perturbaciones sobre el proceso secundario de efecto controlableMas instrumentación

ISA. UVA 9

Sintonía/Operación

WR1 G2 G1R2

y

Sintonizar primero los lazos interiores, luego los exteriores En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que uno simple Si un lazo está en manual, todos los externos a el deben estar en manual

ISA. UVA 10

Diagrama equivalenteW

R1 G2 G1R2

yu1 y2

)s(G)s(R1)s(G)s(R

22

22

+

WR1 G1

yu1y2

)s(WRGGR)RG1(

RGGR)s(W

RG1RGGR1

RG1RGGR

)s(Y 1221122

22111

22

2211

22

2211

1 ++=

++

+=

ISA. UVA 11

Cascada Temp-Presión

TT

TC

w

q T

Condensado

pa

Fv

PC

PT

El regulador interno (PC) de presión corrige mas perturbaciones y de forma mas eficaz

ISA. UVA 12

Reguladores en cascada

W T

pa

TC Vapor Cambiador

q

psPC

El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (PC) el cual corrige el efecto de los cambios en pasobre ps antes de que alcancen al cambiador

ISA. UVA 13

Control de nivel

q

LC

w

uLT

qi

h

Respuesta ante cambios en la presión en la línea de descarga: Su efecto se traduce a un cambio de h que es corregido por el regulador modificando u

ps

ISA. UVA 14

Control en cascada

q

FC

w

uLT

qi

h

LC

FT

El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno(FC) el cual corrige el efecto de las perturbaciones ps sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito

ps

ISA. UVA 15

Cascada Nivel-caudal

W h

ps

LC Caudal Depósito

qi

qFC

El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige las perturbaciones sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito

ISA. UVA 16

Temperatura- Reactor

Reactor

TT

T

RefrigeranteProducto

TC

Respuesta ante cambios en la temperatura de refrigerante Ti : Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el regulador modificando u

u

Ti

Reactante

ISA. UVA 17

Cascada Temp-Temp

Reactor

TT

T

Refrigerante

TC

Ti

TTTCTr

El regulador externo (TC1) fija la consigna del regulador interno (TC2) el cual corrige las perturbaciones en Tr antes de que alcancen significativamente a la temperatura T

Reactante

ISA. UVA 18

Cascada Temp-Temp

W T

Ti

TC1 Refrig ReactorTr

TC2

El regulador externo (TC1) fija la consigna del regulador interno (TC2) el cual corrige las perturbaciones en Tr antes de que alcancen significativamente a la temperatura T

ISA. UVA 19

Control de temperatura en el reactor

5045

1.5 ºC

10 min.

ISA. UVA 20

Control de temperatura en la camisa

ISA. UVA 21

Control de temp en el reactor /cascada

5045

0.3 ºC

4 min.

ISA. UVA 22

Compensación en adelanto

TT

uTC

w

q T

Condensado

pa

Fv

Respuesta ante cambios en el caudal q ó en Ti: El regulador solo empieza a corregir cuando T se ha modificado.

Ti

ISA. UVA 23

TT

uTC

w

q T

Condensado

pa

Fv

Feedforward

Respuesta ante cambios en el caudal q : La salida del regulador se modifica de acuerdo a los cambios de q para compensar su efecto en T

FT

FY

ISA. UVA 24

Feedforward

U(s) Y(s)

P(s)GF

G

Gp

Producir a través de GF y G un cambio en Y(s) igual y de sentido contrario al que se produce a través de GP al cambiar P(s) para compensar este

ISA. UVA 25

Feedforward

• Perturbaciones medibles y de efecto no controlable directamente

• Necesita instrumentación y cálculo adicional

• GP debe ser mas lenta que G• Es una compensación en lazo abierto que

debe emplearse normalmente junto a un regulador en lazo cerrado

ISA. UVA 26

Diagrama de bloques

uW YR

P

G

GP

+-

GF

[ ][ ] [ ]

)s(P)s(R)s(G1G)s(G)s(G)s(W

)s(R)s(G1)s(R)s(G)s(Y

)s(P)s(G)s(G)s(G)s(Y)s(W)s(R)s(G)s(P)s(G)s(P)s(G)s(U)s(G)s(Y

PF

PF

PF

++

++

=

++−==++=No se modifica

la dinámica en lazo cerrado

ISA. UVA 27

Cálculo de GF

U(s) Y(s)

P(s)GF

G

Gp

[ ][ ]

)s(G)s(G)s(G0)s(P)s(G)s(G)s(G)s(U)s(G)s(P)s(G)s(P)s(G)s(U)s(G)s(Y

PF

PF

PF

+=++=

=++=

)s(G)s(GG P

F −=

ISA. UVA 28

GF práctica

)s(G)s(GG P

F −=

No tiene la realizabilidad asegurada Puede ser de alto orden Validez limitada al rango de validez de GP y G

GF practica:

)1as()1bs(KG F

F ++

−=KKK P

F =

ISA. UVA 29

Lead/Lag

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40 60 80 100 1200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

)1as()1bs(KG F

F ++

−=

b > ab < a

ISA. UVA 30

Cambiador - perturbación

1015

2 ºC

7 min.

ISA. UVA 31

Modelo Temp - u

3949

Test en lazo abierto

ISA. UVA 32

Modelo Temp - u196.0

46.0)1(

)(

87.0

+−

=+

=

−

−

se

skesG

s

sd

τ

ISA. UVA 33

Modelo temp-warm flow

1012

Test en lazo abierto

ISA. UVA 34

Modelo Temp- warm flow

)1s)(1s(e)1s(k)s(G

21

sdL

p +τ+τ+τ

=−

2)182.0(

87.0)107.4(17.0

+

−+−−=

s

ses

ISA. UVA 35

Cambiador compensadorFeedforward

2s87.0

2

s87.0

PF )1s82.0(

)1s4)(1s96.0(34.0

1s96.0e46.0

)1s82.0(e)1s4(17.0

)s(G)s(GG

++−+

=

+−

++−−

=−= −

−

ISA. UVA 36

Cambiador con feedforward

0.2 ºC

? min.1015

1015

ISA. UVA 37

Compensación estática / modelo

TT

TC

w

q T

Condensado

pa

Fv

FC

FT

TTFT

v

ieH

)TT(qcvF ρΔ

−=

Debe incorporarse la dinámica del proceso El modelo estático puede usarse en lugar de KF

1s1as

++

τ

ISA. UVA 38

TT

uTC

w

q T

Condensado

pa

Fv

Cascada+Feedforward

FT

FY PC

PT

ISA. UVA 39

Control de proporciones

Producto A Producto B

Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla

RCFT FTFY

FAFB/FA

FB

r

ISA. UVA 40

Control ratio

Producto A Producto B

Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla

r

FCFT FTFF

F rF

Mejores características dinámicas

ISA. UVA 41

Control ratio/relación

FCFT FTFFRCFT FTFY

AB

2B

A

A

B

F1

Fr

FF

Fr

FFr

A

=∂∂

−=∂∂

=

rFF

1FF

rFF

A

B

B

B

AB

=∂∂

=∂∂

=

A B

Variable controlada

Gan. perturbación

Gan. Var. manipuladaGan. variable Gan. cte

ISA. UVA 42

Diagrama de bloques

aFA FBReg Flujoa

FA+-

Se fija la consigna del lazo de control de flujo FB en proporción al flujo medido FA

ISA. UVA 43

Control Selectivo

TT TTTT

TC

Reactor Tubular

Refrigerante

Reactivos

Como seleccionar la medida de temperatura?

T

x

ISA. UVA 44

Control Selectivo

TT TTTT

TC

HS

Reactor Tubular

Refrigerante

Reactivos

Se selecciona la mayor de las temperaturas en cada instante

ISA. UVA 45

Control Selectivo

FT FC

FT FC

FT FC

SC

PT

ST

PC

Aire

Las demandas variables de cada usuario obligan a fijar w continuamente en el valor mas alto previsible

w

CompresorMotor

ISA. UVA 46

Control Selectivo / VPC

FT FC

FT FC

FT FC

SC

PT

ST

PC

Aire

w

CompresorMotor

HSVPC

90%

La presión se ajusta automáticamente para que la válvula mas abierta lo esté al 90%

VPC: Valve position control

ISA. UVA 47

Control selectivo / Seguridad

ReactorAT AT

HSAC

Catalizador

Reactante

Ante un fallo (lectura a cero) en un analizador se mantiene la señal del otro al controlador. En un fallo de lectura a 100% el controlador (AC) pararía la planta

ISA. UVA 48

Control selectivo / Seguridad

ReactorAT AT

MSAC

Catalizador

Reactante

Otra opción es utilizar políticas de 2 contra uno, o de selección del valor medio

AT

< <

>

<

Selector de valor medio

ISA. UVA 49

Control Override

q

LC

wL

u

LT

qi

hFT FC

wF

LS

wL

<

Requisitos : wL nivel mínimo a mantener

Flujo cte.

ISA. UVA 50

Control Override

FC

FT

TC

TT

LS

TCTT

wT

Mantener la temperatura T sin que se sobrepase una temperatura máxima wT en los humos del horno

T

Gas

ISA. UVA 51

Control Override

PT

PC

TT

TC

FT

FC

LS LS

Pmin Tmax

Protección de la bomba ante presión baja a la entrada (surge) o subida de temperatura

ISA. UVA 52

Control override

FT

FC

SC

PT

ST

PC

CompresorMotor

LS

wP

Requisitos: Flujo tan constante como sea posible, sin que se sobrepase una presión máxima wP en la linea a pesar de las demandas variables

ISA. UVA 53

Control override

FT

FC

SC

PT

ST

PC

CompresorMotor

LS

wP

p

F

wP

ISA. UVA 54

Seguridad

FT FC

PC

PT

Pmax

A la atmósfera

Limitar la presión máximaen la línea de suministro

ISA. UVA 55

Control de rango partido

q

u

FT

FCwFv1 v2

u

v1

v2v1

v2

Tabla

ISA. UVA 56

Control de rango partido

Reactor gaseoso

PT

PC

UY

v1v2

v1 v2

u

u

Split range

v1

v2

ISA. UVA 57

Control split range

uTT TC

TT TC UYReactor

Agua

Refrigerante

v1 v2

u

v1

v2

v2

v1

ISA. UVA 58

Control inferencial

uXC

Valor inferido de xXYPT

TT

A menudo hay variables, como las composiciones de una columna, para las que es caro o difícil disponer de medidas fiables y rápidas, por lo que su valor se estima, o infiere, a partir de medidas de proceso, leyes físicas, modelos tipo NN o equivalentes,…

ISA. UVA 59

Control Inferencial

q

uFTFC

TT PT

FY

Se calcula el flujo másico a partir de las medidas de flujo volumétrico, presión y temperatura

Flujo másico

ISA. UVA 60

Cálculos auxiliares

SaturadorTT

TC

PT PY

Vapor sobrecalentado

Se calcula la temperatura de saturación en función de la presión del vapor

Tsat

PC

Agua