UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y MANUFACTURERA CONTROLES ELECTRICOS y AUTOMATIZACION EE - 621 Estructuras Avanzadas de Control 1 Ing. JORGE COSCO GRIMANEY

2. INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL REALIMENTADO VENTAJAS: • Produce acción correctora en cuanto existe error • La acción correctora es independiente de la fuente y tipo de la perturbación • Necesita poco conocimiento del proceso a controlar (un modelo aproximado) • El controlador PID es uno de los controladores de realimentación más versátil y robusto DESVENTAJAS: • No produce acción correctora hasta que la perturbación se propaga a la variable controlada • No es capaz de generar una acción preventiva (aunque las perturbaciones sean conocidas o se puedan medir) • En procesos con grandes tiempo muertos, la dinámica del sistema en bucle cerrado no suele ser aceptable • En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la realimentación no puede realizarse

3. A pesar de sus desventajas, la mayoría (> 80%) de las aplicaciones industriales utilizan bucles de realimentación simple • Para las situaciones en las que el control realimentado no resulta satisfactorio, es necesario utilizar otras estrategias para obtener las prestaciones requeridas • A estas estrategias, que se combinan con el bucle de realimentación (no lo sustituyen) se les denomina estructuras avanzadas de control

4. Control en Cascada

5. Control en cascada • Se utiliza cuando las perturbaciones, afectan directamente a la variable del proceso 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

6. 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. 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 Fv 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 Fv y la variable de control, u: 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)

7. 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

8. D1: perturbación debida a Pa (con dinámica GD1) D2: perturbación debida a Fe (con dinámica GD2) El controlador realimentado no rechazará las perturbaciones hasta que su efecto se propague a la salida

9. 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 D(s): perturbación a la entrada X(s): variable secundaria » refleja la perturbación antes de que se transmita a la salida, » tiene relación causal con U(s)

10. Ejemplo intercambiador: Plano de control en notación ISA 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

11. 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.

12. • Proceso principal: (TC-Intercambiador) proceso de dinámica más lenta • Proceso secundario (FC-Vapor) proceso de dinámica más rápida » El efecto de las perturbaciones sobre el proceso secundario es controlable » Es necesario utilizar más instrumentación

13. Control en Relación

14. CONTROL DE RELACIÓN (RATIO CONTROL) Este tipo de estrategia de control se aplica cuando 2 flujos ingresan a un recipiente y los fluidos están en relación tal como se observa en la figura Objetivo: Mantener la relación entre dos variables a un valor predeterminado Aplicaciones: Normalmente las variables son caudales. Mezcla de dos corrientes de distinta composición o Tª, para conseguir una mezcla de composición o Tª determinadas Relación aire/combustible en el control de la combustión en un horno o caldera

15. Ejemplo : Sistema de mezcla de corrientes de proceso Objetivo :Mantener un relación constante entre los caudales A y B

16. Solución: controlar ambos caudales de forma que los SP cumplan la relación Problema: suele ocurrir que uno de los dos caudales sólo se puede medir (caudal de referencia)

19. Control en Rango Dividido

20. CONTROL DE RANGO DIVIDIDO (SPLIT - RANGE CONTROL Es un sistema de control en el cual existe una sola variable controlada y dos o más variables manipuladas, que deben tener el mismo efecto sobre la variable controlada. Para realizar éste sistema se requiere compartir la señal de salida del controlador con los varios elementos finales de control.

21. Ejemplo: Reactor al que entra un producto gaseoso A, y sale un producto B resultante de la reacción. Objetivo: Mantener la presión P del interior del reactor Variables manipuladas: válvula de entrada de A y válvula de salida de B La salida del regulador de presión PC va a un selector que se encarga de distribuir la acción de control entre las dos válvulas V1 y V2 La política a seguir está representada en la gráfica 2: • A presiones bajas, V1 estará abierta al 100% y V2 cerrada. • A altas presiones, V1 estará cerrada y V2 abierta. • A presiones intermedias, la abertura de cada válvula se determina de la gráfica

22. Control Selectivo

23. CONTROL SELECTIVO (OVERRIDE CONTROL) Es un sistema que opera para satisfacer restricciones de operación impuestas a un proceso con fines de protección del personal y/o del equipo. Para su aplicación se requiere ejercer control sobre dos variables de un proceso, relacionados entre sí de tal manera que una u otra pueda ser controlada por la misma variable manipulada. Como una variable manipulada solo puede controlarse por una sola acción, debe existir la posibilidad de transferir el mando de uno de los lazos de control al otro cuando las complicaciones de funcionamiento así lo exijan.

24. La transferencia del mando se logra conectando la salida de los dos controladores a un switch selector de la más baja, LSS, ó de la más alta, HSS, de dos señales cuya salida esta conectada al elemento final. Dependiendo de las condiciones del proceso, generalmente son usados como protección de equipos, usándose llaves de baja (LSS), tal como se muestra en las figuras. En el sistema hay una variable manipulada y cuyo conjunto es seleccionado dependiendo de las condiciones del proceso

25. Ejemplo: Proceso en el que se calienta un fluido mediante un horno que sirve como fluido calefactor en un tren de intercambiadores. Localmente se controla la temperatura de cada uno de los pasos. La temperatura del fluido calefactor se controla regulando la aportación de combustible al horno.

26. Control Anticipatorio

27. CONTROL ANTICIPATORIO (Feedforward ) Se utiliza cuando las perturbaciones significativas afectan más directamente a la variable de salida que se desea controlar. Este tipo de perturbaciones se denominan perturbaciones a la salida o de carga Utiliza la medida de la propia perturbación (o de una variable auxiliar de la que inferir su valor) para actuar antes de que la perturbación se propague a la salida Un caso particular es el control de proporción o de relación

28. El control anticipatorio puede ser usado para controlar la composición química en un proceso de manufactura. Por ejemplo, la figura muestra como el pH de un material entrando a un tanque de mezclado, puede ser controlado usando un sistema anticipatorio. El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una sustancia, y en el ejemplo el pH ideal es 6,3, pero un rango de 6,2 a 6,.4 es aceptable. Debido a esto, alguna variación en el pH del material de entrada por encima de 6,4 es una perturbación a ser corregido con la adición de ácido.. El control de pH en este sistema requiere de dos sensores: un instrumento de pH para monitorear el material de entrada, y un sensor de flujo. El controlador anticipatorio es una computadora realizando un cálculo complejo, basado en el valor representativo a las variables de perturbación. La ecuación anticipatorio determina la cantidad de ácido requerido para obtener el pH del valor deseado, basado en los valores medidos de pH y flujo.

29. Control Adaptativo

30. CONTROL ADAPTATIVO El control adaptativo es un método de control en el cual la respuesta de un controlador cambia automáticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del proceso. En el grafico, un instrumento monitorea el pH y su salida es transmitida a un controlador adaptativo. Si el pH varía del nivel deseado, el controlador ajusta su repuesta para adicionar más o menos ácido al reactor hasta estabilizar el pH en el rango de 6,2 a 6,4.

31. Un controlador adaptativo contiene un sistema computarizado que es programada para cambiar la respuesta del controlador cuando un error no es el correcto. El control adaptativo obtiene su nombre de la habilidad del controlador para adaptar su respuesta a las condiciones de cambios. El control adaptativo es típicamente usado en situaciones donde la ganancia de los procesos no son lineales, como en el control de un pH. Un lazo realimentado con un control adaptativo ha sido añadido para monitorear y controlar el pH, para compensar por cualquier variación no corregida por el control adaptativo

32. Control Predictivo

33. SISTEMA DE CONTROL PREDICTIVO El Control Predictivo Basado en Modelo, Model (Based) Predictive Control (MBPC ´o MPC) constituye un campo muy amplio de métodos de control desarrollados en torno a ciertas ideas comunes e integra diversas disciplinas como control óptimo, control estocástico, control de procesos con tiempos muertos, control multivariable o control con restricciones. Las ideas básicas en toda la familia de controladores predictivos son: • Uso explícito de un modelo para predecir la salida del proceso en futuros instantes de tiempo (horizonte). • Cálculo de las señales de control minimizando una cierta función objetivo. • Estrategia deslizante, de forma que en cada instante el horizonte se va desplazando hacia el futuro, lo que implica aplicar la primera señal de control en cada instante y desechar el resto, repitiendo el cálculo en cada instante de muestreo.

34. El MPC presenta una serie de ventajas sobre otros métodos, entre las que destacan: • La sintonización es relativamente fácil. • Puede ser usado para controlar una gran variedad de procesos, desde aquellos con dinámica relativamente simple hasta otros más complejos incluyendo sistemas • con grandes retardos, de fase no mínima o inestables. • Permite tratar con facilidad el caso multivariable. • Posee intrínsecamente compensación del retardo. • Resulta conceptualmente simple la extensión al tratamiento de restricciones, que • pueden ser incluidas de forma sistemática durante el proceso de diseño. • Es muy útil cuando se conocen las futuras referencias (robótica ). • Es una metodología completamente abierta basada en algunos principios básicos que permite futuras extensiones.

35. INCONVENIENTES • Complejidad en el cálculo necesaria para la resolución de algunos algoritmos. • Necesidad de disponer de un modelo apropiado del proceso. • El algoritmo de diseño está basado en el conocimiento previo del modelo y es • independiente de este, pero resulta evidente que las prestaciones obtenidas dependerán de las discrepancias existentes entre el proceso real y el modelo usado.

41. Lógica Difusa

42. LOGICA DIFUSA • La lógica difusa o borrosa (Fuzzy logic) descansa en la idea que en un instante dado, no es posible precisar el valor de una variable X, sino tan solo conocer el grado de pertenencia a cada uno de los conjuntos en que se ha participado el rango de variación de la variable. • El grado de pertenencia se cuantifica mediante la función de pertenencia f, que normalmente se escoge de una forma trapezoide. • Ejemplo de funciones de pertenencia: TB: Temperatura. TM: Temperatura media. TA: Temperatura alta.

45. Control basado en lógica difusa. La lógica difusa permite incorporar el concepto de incertidumbre o confianza, que integra: 1. La imprecisión en la medición. 2. La subjetividad que caracteriza al control lingüístico. Dadas las funciones de pertenencia para cada variable medida, el procesamiento de las reglas conduce a conclusiones con factores de confianza. Esto implica: 1. Una supervisión inteligente, de que la conclusión acerca de una detección o diagnostico se acompaña de un factor de certeza. 2. Un control inteligente, en el cual la acción de control puede calcularse como:

46. PID VS. Control Difuso

47. PID vs. Control Difuso