DISEÑO DE UN SISTEMA DINAMICO DINAMICO DE CONTROL DE PROCESOS Roa Eduardo,
[email protected] [email protected] Palabras clave: sistema, sistema, proceso, proceso, perturbaciones.
Introducción. El control en cascada es una técnica de control muy común, ventajoso y útil en las industrias de proceso; Los principios e implementación mediante dos casos prcticos. En la mayor!a de los procesos "se pueden encontrar ejemplos de sist sistem emas as de cont contro roll en casc cascad ada. a. El cont contro roll en cascada se compone de un controlador esclavo y un controlador maestro, la di#erencia entre los $ controladores es %ue el controlador esclavo de&e ser ms rpido y el controlador maestro dirige el contro con trolad lador or esclav esclavo. o. 'am&ié am&iénn (ay %u %uee tener tener en cuenta cuenta %ue entre $ procesos procesos de&e tener un retardo entr entree los los $ )tam )tam&i &ién én pu pued edee tene tenerr otro otro reta retard rdoo después del segundo proceso*.
+ara el diseo de los controladores, es necesario conoce con ocerr so&re so&re las técnic técnicas as de sinto sintonini-aci ación ón de controladores, %ue se encarga de determinar los parmetros de acuerdo a un conjunto de especi#icaciones )criterios de sinton!a*. La sinton!a es necesaria cuando este puesta en marc(a en u sistema en control y uando el usuario o&serva un dete deteri rior oroo del del comp compor orta tami mien ento to del del sist sistem emaa de control. Técnicas de sintonización Asen Asenta tai ien ento to !. Este Este se apli aplica ca,, teni tenien endo do en cuen cuenta ta la gana gananc ncia ia ulti ultima ma de la vari varia& a&le le del del proceso a controlar. controlar. on este tipo de sinton!a, el controlador, controlador, en modo modo automtico se incrementa la ganancia (asta encontrar respuesta.
control por #eed#or/ard es muy útil en procesos en donde de&e minimi-arse las desviaciones de las varia&les de un proceso. El o&jetivo es disear e implementar un sistema de control capa- de mantener el control en la varia&le es el valor de re#erencia mediante la manipulación de la vlvula de control dadas pertur&aciones. El sist sistem emaa de cont contro roll de&e de&e ser ser capa capa-- de toma tomarr la varia&le a cual%uier valor dentro de su rango de #uncio #uncionam namien iento. to. ay %ue asegur asegurars arsee de %ue el sensor es capa- de operar &ajo cual%uier condición. Metodo"o#$a. on el uso del so#t/are de programación 1atla&, en la opción de 2imulin3 %ue es la (erramienta indi indisp spen ensa sa&l &lee para para la simu simula laci ción ón del del sist sistem emaa dinmico dinmico del proceso, proceso, se construy construyee el siguient siguientee proceso a mostrar. En este reactor )4ig. 5.* se re%uiere un sistema de control.
•
Decaiient Decaiientoo !. Este tipo de sinton!a se tiene en cuenta ms %ue todo el tiempo muerto, el error deca decaee en la cuar cuarta ta parte arte de un peri perioodo de oscilación.
El control por acción precalculada, mas conocido por #eed#or/ard, representa el control per#ecto, los distur&ios %ue entran en el proceso son compensados antes de %ue a#ecte el mismo. El
Fig. 1. Proceso Proceso tanque calentador con con reactor en en serie interactivo.
El reactor en el diagrama anterior re%uiere un sistema de control. Las posi&les varia&les en el la-o de control son6 C% M& DIST
T
4i
4i
4i
4i
La m8ima pertur&ación %ue se de&er!a dar ser de $9:. La reacción %ue ocurre en el reactor est dada por6 <$=> 2e clasi#icara el sistema de la planta en ? su&sistemas para (acer los &alances de masa y energ!a por separado tomando como su&sistemas la siguiente con#iguración6 *. %+",u"as
Fig. 2. Clasificación del sistema en 4 partes Fig. 4. !squema para la v"lvula #
Mode"aiento de" 'roceso (. Tan)ue de ca"entaiento •
Fig. 3. Condiciones de entrada salida del proceso del tanque calentamiento.
Las ecuaciones a implementar al su&sistema son las siguientes6
+ara la vlvula y = se utili-an las siguientes ecuaciones6
Entre la cone8ión de la temperatura y las concentraciones de salida del tan%ue calentador y la temperatura y las concentraciones de entrada del tan%ue reactor (ay un retardo )tiempo muerto con respecto a 'i)t**. -. Reactor
Tabla 1. Constantes del sistema con sus respectivo variables, y sus perturbaciones.
Fig. $. !squema del reactor
Las ecuaciones para el sistema del reactor son las siguientes6
Aaria&le Longitud Crea del tu&o oe#iciente de ' Crea de '
Aalor 5$0 0.5 9.5 ?00 $D0 GHH
Crea del 'an%ue de alentamient o Crea del 'an%ue Reactor E R
. L$neas de /"u0o. +ara las di#erentes densidades se aplican las siguientes ecuaciones.
+8
Aaria&le espués de armar todo el sistema, se le pone los valores de las constantes, junto con sus pertur&aciones )22 Aalues*.
Bnidades
='BF4 =tul&m
D0
H0 5.GD7 $7D$0
='Bl&mole ='Bl&mole FR
I5$00 J9.H $0.9 0.$ 5D $ J $.? 5.$ 5.D HH 0.G9 0.DD
='Bl&mole =
Aalor D0 J0 J0 5$9 5.70
4t+sia +sia 4t 4t L&l&mole L&l&mole = L&l&mole ='Bl&mF4 ='Bl&mF4 Bnidades
F4
5$$
PI
-
PID
uando ya el proceso esté listo con sus respectivos su&sistemas, es imprescindi&le veri#icar %ue todo el sistema no arroje ningún error, si es as!, &uscar el error inmediatamente para %ue no provo%ue #uturos daos en el mismo sistema a la (ora de la simulación. espués de veri#icar %ue el proceso #uncione correctamente, se aplica el control en cascada. +ara el control en cascada, es necesario determinar sus respectivas ganancias del controlador en el proceso, con respecto a los controladores, a través de las di#erentes sinton!as de controladores, ya sea por asentamiento K o decaimiento, se eligen cual%uiera de las concentraciones de salida del reactor del proceso )entre =9)t* y 9)t* son los productos de la reacción* para aplicarle control en cascada utili-ando los di#erentes tipos de sinton!a para controladores, en el control en cascada se sintoni-a primero el controlador esclavo, ya después de %ue el controlador esclavo este sintoni-ado, se sintoni-a el controlador maestro. +ara la sinton!a de los controladores, se utili-an las #órmulas de sinton!a de controladores de asentamiento K. I
Tabla 2. Fórmulas de sintonía de asentamiento ¼ para controladores.
P
Ganancia Proporci onal
Los datos %ue se o&tuvieron del proceso son las siguientes6
En el método por retroalimentación, se o&tuvieron los siguientes resultados con respecto a las concentraciones de salida del reactor.
Sensor
Tipo de Controla dor
Fig. %. &iagrama de bloque del proceso del sistema me'clador calentador reactor interactivo.
Estos valores de ganancia del proceso y tau el proceso, son los %ue se van a utili-ar para los tres tipos de control.
%+",u"a
I
Resu"tados 1 discusión . espués de (acer todo lo mencionado en la metodolog!a, se o&tuvo el siguiente es%uema del proceso )4ig. H.*.
Tiem po Integ ral
Tiempo Derivat ivo
-
-
rafica 4. Comportamiento de las concentraciones de salida del reactor en estado estable despu-s de aplicar el control por retroalimentación .
Fig. (. )alores de las 3 concentraciones de salida del reactor *2+t en estado estable despu-s de aplicar control por retroalimentación.
rafica 3. Comportamiento de las concentraciones de salida del reactor
En la gr#ica 5 se o&serva %ue en 9)t* )l!nea &lanca* su valor m8imo #ue de 0.97 l&mole#t a los 5$J segundos, después de ese tiempo #ue descendiendo (asta esta&ili-arse a 0.$$HG l&mole #t a los H00 segundos. En =9)t* )l!nea rosada* se esta&ili-ó a $.05G l&mole=#t a los H00 segundos, y #inalmente en 9)t* )l!nea roja* se esta&ili-ó a 0.90?7 l&mole#t tam&ién a los H00 segundos.
(ora, entre las pertur&aciones =9)t* y 9)t* son las varia&les a controlar por el método de control cascada. 2e eligió la pertur&ación =9)t* por%ue es la %ue tiene mayor tasa de concentración.
rafica $. Comportamiento de la concentración / de salida del reactor, despu-s que se aplicó control en cascada.
rafica %. Comportamiento de las concentraciones de salida del reactor despu-s de aplicar el control en cascada.
En las J concentraciones, con relación al proceso normal, (u&o un pe%ueo descenso en cada una de las l!neas entre $00 segundos y D00 segundos, de&ido a la con#iguración de la sinton!a de los controladores y los valores en estado esta&le.
Fig. 0. )alores de las 3 concentraciones de salida del reactor *2+tdespu-s de aplicar control por cascada.
Le aplicamos ontrol por #eed#or/ard al mismo control %ue se aplico en cascada, se o&tuvo la siguiente gra#ica en comparación de s)t* )l!nea amarilla, '?)t* )l!nea #ucsia*.
rafica (. Comportamiento entre 4+t s+t en el proceso despu-s de aplicar el control en feedforard.
Fig. (. )alores de las 3 concentraciones de salida del reactor *2+tdespu-s de aplicar control por feedforard.
M&servando los valores en estado esta&le de las concentración de salida de los reactores )9, =9 y 9* después de aplicar os J procesos. El %ue tuvo mayor concentración en =9 #ue el de #eed#or/ard, aun%ue el aumento de la misma, tuvo una #uerte disminución en 9 y 9. Conc"usiones. e los J tipos de control, entre el de retroalimentación, cascada y #eed#or/ard. El tipo de control ms e#iciente es el ascada, ya %ue este presenta menos porcentaje de error con respecto a los otros métodos de control. +ara o&tener unos &uenos resultados, es mejor tener muy en cuenta el &en manejo de la sinton!a de controladores, y lo ms importante, el del proceso, ya %ue en este no (u&o un &uen manejo de este mismo y de los tres tipos de control. 2i3"io#ra/$a. 5. l#aro A. )$00$*. 1N'MM2 E 2OP'MPOQOP
rafica . Comportamiento de las concentraciones de salida del reactor en estado estable despu-s de aplicar el control por feedforard
En la gr#ica se puede o&servar %ue (ay un momento a los J99 segundos en donde las $ curvas se interceptan.
E MP'RMLMRE2 +O SBE M+ERP M1M RETBLMRE2. #breviatura de la revista en letra cursiva. pag $J. $. 2mit(, . y orripio, . )5GG5*. 'écnicas adicionales de control. En6 Control #utom"tico de Procesos eor5a Practica. Limusa. Editorial, +a!s de edición. pagIpag.