Estructuras Avanzadas de control: Control en Cascada
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Control en cascada
Se utiliza cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable variable de proceso manipulada manipulada (en la mayoría de los casos será un caudal de materia o flujo de energía) Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la entrada
Utiliza la medida de variables internas (auxiliares) para detectar rápidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción correctora Se realiza mediante bucles de realimentación anidados
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Bucle simple de control de temperatura Pa u Fv
SP TC TT
Fe
T Condensado
Objetivo: Calentar una corriente de proceso, Fe, manipulando el caudal de combustible, Fv, que entra al intercambiador. La caída de presión en la válvula puede sufrir variaciones. Así mismo, el caudal de entrada, Fe, puede fluctuar alrededor de su valor nominal. 3
Bucle simple de control de temperatura Variables significativas:
Variable de salida o controlada: Temperatura T (ºC)
Variable manipulada o controlada: u (% apertura de la válvula). Cambia Fv (l/s),caudal de vapor que es la variable de proceso manipulada.
Variables de perturbación: perturbación a la entrada: Pa (atm), caída de presión en la válvula (si Pa varía a la misma apertura de válvula (u) el caudal F v será diferente. Fv es una variable auxiliar que refleja la perturbación antes de que se propague a la salida y existe una relación causal entre F v y la variable de control, u: F ( s ) Gv ( s) =
v
U ( s )
perturbación a la salida: Fe (l/s), cambios en el caudal de entrada (se transmiten directamente a la salida sin afectar previamente a otra variable de proceso auxiliar) 4
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Bucle simple de control de temperatura Pa
r
u
TC
Fv
TT
Fe
T Condensado
Respuesta a cambios en la presión de suministro de combustible:
Si Pa varía, a la misma apertura de válvula (u), variará Fv (energía aportada) y por tanto, afectará a la temperatura T El efecto de la perturbación se traduce en un cambio en T que será corregido por el controlador de realimentación modificando la apertura de válvula, u
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Bucle simple de control de temperatura Diagrama de bloques: D1 r +-
Gc
u
Gv
D1: perturbación debida a P a (con dinámica GD1) D2: perturbación debida a F e(con dinámica GD2) El controlador realimentado no rechazará las perturbaciones hasta que su efecto se propague a la salida
D2 +
+
Fv
Gp
+
u Fv
T
+
r TC TT
T
Condensado
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Estructuras Avanzadas de Control Control en cascada
La estructura de control en cascada se caracteriza por dos controladores realimentados anidados, siendo la salida del primario (maestro) el punto de consigna del controlador secundario (esclavo). La salida del controlador secundario es la que actúa sobre el proceso.
Objetivos:
Minimizar el efecto de algunas perturbaciones Mejorar las prestaciones dinámicas del sistema de control
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Control en cascada Diagrama de bloques: BUCLE PRIMARIO
BUCLE SECUNDARIO
D(s) Gd U(s)
R(s) +-
Gc1
+-
Gc2
Gp1
+
+
X(s)
Gp2
Y(s)
D(s): perturbación a la entrada X(s): variable secundaria » »
refleja la perturbación antes de que se transmita a la salida tiene relació n causal con U(s) 8
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Control en cascada Ejemplo intercambiador: Plano de control (en notación ISA simplificada) Pa
FT
FC
SP SP
TC
Fv
TT
Fe
T
Condensado
El regulador externo (TC-temperatura) fija la consigna del regulador interno (FC-caudal) cuyo objetivo es corregir el efecto sobre el caudal de combustible (Fv) del cambio en Pa antes de que afecte de forma significativa a la temperatura T. 9
Control en cascada Ejemplo intercambiador: Diagrama de bloques: D1
D2
U(s)
R(s) +-
TC externo
+-
FC
Gv
+
+
Fv
Gp
+
+
T(s)
interno
El regulador externo (TC-temperatura) fija la consigna del regulador interno (FC-caudal) cuyo objetivo es corregir el efecto sobre el caudal de combustible (Fv) del cambio en Pa antes de que afecte de forma significativa a la temperatura T. 10
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Control en cascada Ejemplo intercambiador: D1
D2
U(s)
R(s) +-
TC
+-
externo
FC
Gv
+
+
Fv
Gp
+
+
T(s)
interno
• Proceso principal: (TC-Intercambiador) proceso de dinámica más lenta • Proceso secundario (FC-Vapor) prcoeso de dinámica más rápida » El efecto de las perturbaciones sobre el proceso secundario es controlable » Es necesario utilizar más instrumentación
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Control en cascada Criterios de diseño: Es aconsejable cuando se cumplen las siguientes condiciones: • El bucle simple no da una respuesta satisfactoria (proceso de dinámica lenta, tiempo muerto grande en relación a la constante de tiempo, sometido a perturbaciones significativas, ...) • Existe una variable secundaria, X(s), medible a costo razonable, que satisface las siguientes condiciones:
Debe indicar la existencia de una perturbación importante Debe existir una relación causal entre la vari able manipulada y la variable secundaria ( X (s) / M (s)) La dinámica de la variable secundaria ( X (s) / M (s)) debe ser más rápida que la de la variable primaria (Y (s) / X (s)) . De esta forma, el bucle interno controla la variable secundaria antes de que el efecto de la perturbación se propague a la variable primaria (variable controlada) de forma significativa 12
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Control en cascada Sintonía: primero se ajustan los parámetros del controlador secundario. Posteriormente, con el bucle secundario cerrado, se ajustan los del controlador primario.
PASOS: SINTONÍA DEL BUCLE SECUNDARIO » Obtener un modelo de la parte del proceso incluida en el secundario
(modelo de conocimiento o modelo experimental)
» Sintonizar el controlador secundario por cualquiera de los métodos conocidos (normalmente se utiliza un PI ya que el secundario debe ser un bucle rápido) SINTONÍA DEL BUCLE PRIMARIO » Obtener un modelo de la variable controlada a cambios en el punto de consigna del controlador secundario (con el bucle secundario cerrado) G proceso ( s ) =
Y ( s ) M ( s )
=
Gc 2 G1 1 + Gc 2 G1GT
G p
=
G BC int erno ( s )G p ( s )
» Sintonizar el controlador primario por alguno de los métodos conocidos
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Control en cascada Sintonía D1
D2
u
r +-
Gc1 externo
+-
Gc2
G1
+
+
G2
+
T
+
interno
• Sintonizar primero los bucles interiores, luego los exteriores • En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que un bucle simple • Si un bucle está en modo manual, todos los externos a él también deben estar en modo manual 14
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Control en cascada Cascada Temperatura-Presión Pa
SP PC
Fv
SP
TT
PT
Fe
TC
T Condensado
• El bucle secundario (PC) controla la presión en el interior del tanque. De esta forma se pueden corregir más perturbaciones (todas las que afectan a la presión y, posteriormente a la temperatura) de forma más eficaz. 15
Control en cascada Cascada Temperatura-Presión: Diagrama de bloques D1
D2
u
r +-
TC externo
+-
PC
vapor
+
+
Ps
intercambiador
+
T
+
interno
• El regulador externo (temperatura-TC) fija la consigna del regulador interno (presión-PC) cuyo objetivo es corregir el efecto de las perturbaciones (por ejemplo, variaciones en la caída de presión en la válvula) sobre la presión en el interior del tanque (Ps) antes de que afecten de forma significativa a la temperatura T. 16
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Control en cascada Control de Nivel h
Fe
SP
LT
LC u Ps F
• Respuesta a cambios de la presión en la línea de descarga: afecta al nivel en el tanque (h) y será corregido por el regulador modificando u 17
Control en cascada Cascada Nivel-Caudal: Fe
SP
LT
LC
SP
FT
FC u Ps
F • El regulador externo (nivel-LC) fija la consigna del regulador interno (caudal-FC), cuyo objetivo es corregir las perturbaciones sobre el caudal F antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito 18
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Control en cascada Control en cascada: Diagrama de bloques D1(Ps)
u
r
LC
+-
externo
FC
+-
caudal
+
+
F
h depósito
interno
• El regulador externo (nivel-LC) fija la consigna del regulador interno (caudal-FC), cuyo objetivo es corregir las perturbaciones sobre el caudal F antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito 19
Control en cascada Control de temperatura de un reactor TC u Ti
TT
T
Reactante
Reactor
Refrigerante
Producto • Respuesta a cambios en la temperatura del refrigerante, T i : afecta a la T del reactor y, por lo tanto, a la reacción. Será corregido por el regulador modificando la apertura de la válvula, u, y por tanto el caudal de refrigerante. 20
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Control en cascada Control en cascada temperatura-temperatura
TC TT
Tr TC
TT
T
Reactante
Reactor
Ti Refrigerante
Producto
• El regulador externo (temperatura en el interior-TC1) fija la consigna del regulador interno (temperatura de la camisa-TC2) cuyo objetivo es corregir las perturbaciones que afectan a Tr antes de que afecten significativamente a la temperatura T 21
Control en cascada Control en cascada: Diagrama de bloques D1(Ti)
u
r +-
TC1 externo
+-
TC2
refrig
+
+
T reactor
interno
• El regulador externo (temperatura en el interior-TC1) fija la consigna del regulador interno (temperatura de la camisa-TC2) cuyo objetivo es corregir las perturbaciones que afectan a Tr antes de que afecten significativamente a la temperatura T T 22
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Control en cascada Control de un reactor Temp TC
Reactante TT FC
Ti
TC
FT
TT
Tr
Fe Refrigerante
T Reactor
FC
AT
AC
LT LC
FT
SP Comp.
Producto 23
• Bibliografía: » P. Ollero, E. F. Camacho. Control e instrumentación de procesos químicos. Ed Síntesis (1997). Capítulos 17 y 18 » Process Control. T.E. Marlin. Ed. Mc Graw Hill (1995). pp. 234-239, capítulos 14 a 19 » Essentials of Process Control. W.L. Luyben, M.L. Luyben. Ed. Ed. Mc Graw Hill (1997), capítulos 4 y 9 24
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