Estrategias de control avanzado más conocidas (PAG 6)

Control Experto control Borroso, Difuso o por Lógica Difusa (“Fuzzy LogicControl”): Este tipo de control se basa en la recopilación de conocimiento de unSistema, a partir de operadores del mismo que pueden considerarse como“expertos” en su área de conocimiento.

Control Optimo: Este control se basa en la definición de una función o funcional que –por lo general- incluye el error de control y la acción de control y/o sus desviaciones, con ponderaciones que permiten “pesar” en forma relativa cada una de ellas, y se establece un criterio de optimización sobre dicho funcional que se ajuste a los objetivos del control.

El mejor representante de este tipo de control, por la gran aceptacion que ha tenido en el campo del control de procesos Control Predictivo por Modelo (“Model Predictive Control” o “MPC”)

El sistema más difundido es el que usa un modelo lineal para el sistema (LMPC)

Control Robusto: Consiste en definir una estructura de control que tenga un desempeño acorde a las especificaciones del sistema, independientemente de las perturbaciones a las que este expuesto.

Ha sido aplicado a nivel industrial es el Control por Modelo Interno (“Internal Model Control o IMC”).

Control Adaptivo, Adaptativo o Adaptable (“Adaptive Control”): Este sistema de control es apropiado para sistemas que sean variantes en el tiempo. Aunque dentro de esta categoría podrían colocarse los “PID autoajustables”

Dentro de este tipo de control es el “Control Adaptivo por Modelo de Referencia” (“Reference Model Adaptive Control” o “RMAC”).

Control Neuronal: Las Redes Neuronales (“Neural Networks”) son estructuras matemáticas que procuran representar la información en forma similar a como se estructura en nuestro cerebro. El objetivo de usar redes neuronales es disponer de un sistema que se comporte como una “caja negra” que pueda emular el comportamiento de un sistema.

UNIDAD 1. GENERALIDADES DEL CONTROL AVANZADO (PAG 20)

Lección 1. Automatización de plantas industriales

Sección 1. Evolución en los elementos de controlEn los primeros tiempos de la industrialización las plantas eran supervisadas y controladas manualmente, basándose en las indicaciones de instrumentos instalados en campo

La industria en:Los Años 20th: Todo o nadaLos Años 30th: Los controladores con acciones proporcional, integral y derivativa

Sección 2. Automatización basado en computador (Controles SPC y DDC)

La posibilidad de utilizar computadores digitales para el control de procesos apareció en la mitad de los años cincuenta

Etapa inicial 1958 a 1964 Ordenador centralizado 1965 a 1970 Miniordenador 1971 a 1975 Control distribuido Desde 1975

Debido a la falta de seguridad solamente podían utilizarse para realizar control supervisorio

SP modificado por el operador. En este modo, el computador simplemente suministra el operador de planta los datos para fijar los puntos de ajuste de controladores analógicos (figura -PAG 24)

SP modificado por el computador. En este modo, el computador fija automáticamente los valores de los puntos de ajuste (control SPC o Set Point Control) (figura -PAG 25)

La siguiente fase consistió en la utilización de computadores para sustituir a los controladores tradicionales.

Al sustituir al controlador analógico, computador tenía que mover directamente el elemento final de control, por lo que se utilizo el término DDC (Direct Digital Control),

La técnica DDC consiste esencialmente en sustituir los controladores analógicos por un computador digital, el cual realiza las mismas funciones de control.

VENTAJAS DEL DDC:

Fácil configuración y reconfiguración de los lazos de control. Introducción sencilla de nuevos lazos de control. Posibilidad de realizar algoritmos de control avanzado. Cálculos basados en modelos para obtener valores óptimos en los puntos de consigna de los lazos existentes en el computador.

DESVENTAJAS DEL DDC:

Baja seguridad del sistema. El fallo del ordenador provoca el fallo de todos los lazos de control. Altos costes en inversión, mantenimiento y personal, incluyendo costes de programación. Sobrecarga del procesador (Central Process Unit), cuando el computador tiene que manejar otros procesos de cálculo además del control DDC.

Sección 3. Seguridad en el control por medio de back up (PAG 27)

Una gran innovación fue el twin computer concept (computador gemelo), en el que un computador de reserva (back up), realiza las mismas funciones que le principal y en caso de fallo de éste asume sus tareas (figura - PAG 28)

Leccion 2. Controlador Logico Programable (PAG 30)Sección 1. El controlador lógico programable

El nuevo controlador especificado debía estar basado en tecnología de computador, ser programable y reprogramable,

fácil de mantener y reparar. Robusto, seguro en su funcionamiento y más pequeño y barato que los sistemas equivalentes de

relés. En base a las razones expuestas en la especificación, el controlador se denomino Programable

Logic Controller (PLC). El primer PLC apareció al final de los años sesenta con unas prestaciones limitadas, puesto que

solo se trataba de sustituir a los sistemas de relés

Sección 2. Computador para control distribuido

Aparecieron los sistemas DDC basados en microprocesador, más pequeños que los anteriores minicomputadores y equipados con pantallas gráficas (displays)

El primer sistema de control distribuido fue anunciado por Honeywell en 1975, un sistema de control jerárquico con un gran número de microprocesadores con tareas específicas asignadas a cada uno de ellos

Las normas internacionales tendieron a la compatibilidad e intercambiabilidad del hardware y software El concepto de modularidad tanto en hardware como en software disminuyó los costes de desarrollo

La normalización de aplicaciones de software para control de plantas y acondicionamiento de señales creo algunos paquetes fáciles de aplicar, tales como:

Acondicionamiento de señales de entrada.Linealizacion y filtrado de señales.Asignación de límites y alarmas.

Leccion 3. Sistema de control distribuido (SCD) (PAG 32)Sección 1 Descripción general

Interfase al Proceso: Suele haber dos tipos de equipos para realizar la interfase con el Proceso. Uno de ellos, denominado habitualmente controlador, se dedica al procesamiento de lazos de control con entrada, procedente de elementos de medidas, y salida hacia elementos finales, mientras que otro

Interfaz al Operador: El sistema proporciona un medio de supervisar y manipular las Unidades de Proceso desde la Sala de Control, a través de una Consola de Operación

Via de datos: El sistema dispone de una vía principal para comunicación de datos y otra de reserva. Cada vía está compuesta por un cable coaxial y toda la electrónica asociada, por donde fluye la comunicación a lo largo de todos los elementos del sistema de control. Ante un fallo en la vía principal, automáticamente entra la de reserva, sin afectar al control de la planta

Sección 2 Seguridad del sistema (PAG 34)Se considera que un sistema es redundante cuando, ante un fallo en una parte del mismo sigue funcionando correctamente, ya que el elemento que falla es sustituido por otro de reserva

Conexión en paralelo redundante: Existen dos sistemas que procesan simultáneamente las entradas y salidas, comparando continuamente los resultados. La salida la proporciona uno solo de ellos

Conexión de un sistema y otro de reserva: se comporta de forma que sólo el controlador principal está procesando las entradas y salidas. Si falla este controlador considerado principal, automáticamente asume sus funciones otro controlador considerado como reserva, encargándose este último de procesar las entradas y salidas a partir del momento del fallo

Lección 4. Aplicaciones de control por computador (PAG 35)

Los primeros computadores se utilizaban solo apara adquisición de datos de planta, evolucionando hasta llevar a cabo el control del proceso

Sección 1. Aplicaciones de control OFF LINE

OFF LINE en LAZO ABIERTO, puesto que ningún valor calculado retornaba al proceso

OFF LINE en LAZO CERRADO, puesto que los datos calculados se enviaban como realimentación al proceso, modificando el operador los puntos de consigna necesarios en función de los datos suministrados por el computador

Las aplicaciones OFF LINE introducen un gran retraso e el control debido a la intervencion humana, tanto para la toma de datos como apara la distribución de valores calculados a sus destinos, por lo que su utilizaciones muy limitada

Sección 2. Aplicaciones de control ON LINE

ON LINE en LAZO ABIERTO. El computador toma automáticamente los datos, realiza los cálculos previstos encaminados a control u optimización y envía los resultados a una pantalla u otro tipo de interface para el operador si lo considera oportuno, tome la acción de modificar los puntos de ajuste o salidas a elementos finales de acuerdo a los datos suministrados por el computador.

ON LINE en LAZO CERRADO. Este es el nivel más alto de control por ordenador de forma automática, es decir, sin intervención del operador.

- Aquí la transferencia automática de datos se realiza en ambas direcciones, por lo que el operador solo necesita supervisar el funcionamiento del proceso

Leccion 5. Nuevas vias de comunicación (PAG 39)

Sección 1. Estándar de comunicación digitalElementos smart o inteligentes, la cual va sustituyendo progresivamente a la comunicación analógica de 4 a 20 mA. Para comunicación de los nuevos elementos con tecnología digital aparecen las vías de datos campo (fielbus)

1993 el estándar IEC-1158 (internacional Electrotechnical Commision), que define el nivel físico de transmisión – recepción de datos en términos de velocidad de comunicación, codificación de la señal, numero de unidades en el bus, alimentación, etc. Los protocolos basados en el estándar IEC-1158 reciben el nombre genérico de Fielbus

Sección 2. FOUNDATIONTM Fielbus (PAG 40)Es el nombre del protocolo creado por la organización

Nivel fisicoFOUNDATIONTM Fielbus es una red de área local (Local Area Network), para comunicación digital, que interconecta elementos de campo tales como transmisores finales, teniendo la posibilidad de distribuir el control a traves de la red

- El estándar permite conectar hasta un máximo de 32 elementos en un bus

Su función es la de controlar las transmisión de mensajes desde y hacia el fielbus a través del nivel físico. Se realiza por medio de un programador determinista y centralizado denominado Link Active Schedule (LAS).

Cuando un elemento tiene que proporcionar datos, el LAS manda que los emita hacia el bus para ser utilizados por cualquier de los dispositivos conectados al mismo.

Este sistema también es responsable de mantener la hora en el bus, para que todos los dispositivos utilicen la misma.

Nivel de aplicacion del usuario

AI Entrada analógica (Analog Input)AO Salida analógica (Analog Output)DI Entrada digital (Digital Input)D0 Salida Digital (Digital Output)PID Controlador (Proportional, Integral, Derivate)RA Relación (RAtio)ML Estación manual (Manual Loader)CS Selección de control (Control Selector)

Ventajas

Reducción de costes de instalación.Menor coste de mantenimiento.Ahorros operativos al gestionar mejor la instalación

InconvenientesNo existe una tecnología unificada entre los diversos buses de campo.Incertidumbre sobre el futuro.Al no existir elementos prefabricados, tales como armarios cableados, etc., no se pueden realizar comprobaciones del sistema hasta no esta instalado en campo.Intereses comerciales entre fabricantes de elementos de campo y sistemas de control distribuido.

C APITULO 2. DISENO MEDIANTE VARIABLES DE ESTADO (PAG 44)

Leccion 6. Observadores de estado

Un dispositivo (o un programa de computadora) que estima u observa las variables de estado se llama observador de estado, o, simplemente, observador.

OBSERVADOR DE ORDEN COMPLETO: Si capta todas las variables de estado del sistema

son aquellos utilizados para observar o estimar todos los estados de un sistema

OBSERVADOR DE ORDEN REDUCIDO: Cuando estima menos de n variables de estado, en donde n es la dimensión del vector de estado

son aquellos utilizados para observar o estimar solo algunos estados de un sistema.

OBSERVADOR DE ORDEN MINIMO: Si el observador de estado de orden reducido tiene el orden mínimo posible

Los observadores de estado, son herramientas virtuales, que permiten estimar las variables o estados de un sistema en base a mediciones de las señales de salida y señales de control. Estos observadores

permiten enviar información estimada acerca del valor que toman dichos estados, permitiendo conocer un aproximado del valor real, además cuentan con muy poco margen de diferencia o error.

La estabilidad asintótica y la velocidad de respuesta de la dinámica del error se determina mediante los auto valores de la matriz |A-LC|, dados por el polinomio característico |sI-A+LC|.

Sección 1. Ejemplo de observador de orden completo (PAG 48)

Sección 2. Método de diseño por la formula de Ackerman (PAG 52)

Sección 3. Método de diseño completo (PAG 53)

Sección 4. Diseño mediante el software Matlab (PAG 57)

Leccion 9. Observador de orden reducido (PAG 64)

Si se cuenta con un vector de estados X de dimensión (n x 1) del cual m estados pueden ser medibles, se tendrá que el orden del observador será (n-m x 1).

Sección 1. Diseño de observadores de orden reducido (PAG 65)Sección 2. Metodología de diseño para el observador de orden reducido (PAG 67)

Leccion 10. Observador para sistemas MIMO (PAG 73)Sistemas con varias entradas y varias salidas, llamados sistemas MIMO (multiple input, multiple output).

C APITULO 3. CONTROL OPTIMO (PAG 80)IntroduccionEl problema de optimización consiste en la selección de las variables de control, tales que maximizan o minimizan un índice de optimización determinado, (por ejemplo, el costo de producción unitario) dentro de los enlaces, (por ejemplo las ecuaciones que describen el objeto de control) puesta sobre las variables de control que frecuentemente no son las variables independientes y dentro de las limitaciones (por ejemplo, dentro de los rangos invisibles de los campos).

Leccion 11. Generalidades del control optimo continuo y discreto

El criterio particular que veremos es un funcional cuadrático del estado y la entrada de control

El criterio particular que se muestra es un funcional cuadratico del estado y la entrada de control, donde Q y R son matrices constantes

Sección 1. Control LQ en tiempo continuo (PAG 83)

Sección 2. Control LQ en tiempo discreto (PAG 84)

Transicion [N − 1] → [N] (PAG 85)

Transicion [N − 2] → [N] (PAG 88)

Transicion [k] → [N] (PAG 89)

Leccion 12. Control LQ de Horizonte Infinito (PAG 100)

Leccion 13. Solucion del problema de horizonte infinito

Leccion 14. Principio maximo de PontryaguinSupóngase que un sistema tiene una variable de estado unica x1 con x1 = 0 en equilibrio si u1 es el control una ecuación de estado que tipifica un comportamiento inestable es:

Leccion 15. Estimacion de Estado con el Filtro de Kalman (PAG 107)Se muestra la solución optima a la estimación de estado conocida desde hace unos cuarenta anos como el filtro de Kalman, que consiste de un filtro variante en el tiempo, tanto para el caso de sistemas en tiempo continuo como el caso discreto en tiempo para sistemas aleatorios.