Prof: Dr. Francisco Cubillos M Depto Ingeniería Quimica - USACH Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Capítulo 1 Introducción al control de procesos Capítulo 2 Teoría de sistemas dinámicos lineales Capítulo 3 Sistemas en lazo cerrado Capítulo 4 Controladores No Convencionales >>>>>> Uso de un simulador<<<<< Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

ESTRUCTURAS NO CONVENCIONALES Denominamos estructuras no convencionales a aquellas configuraciones diferentes al formato clásico de lazo y-u. Estas configuraciones se utilizan fundamentalmente para mejorar las características dinámicas del lazo, para reducir el costo, e incorporar conocimientos extras al proceso Las disposiciones principales son Control en Cascada Control retroalimentado o FeedForward Control de Razón Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

CONTROL EN CASCADA El control en cascada se utiliza principalmente para: Eliminar el efecto de perturbaciones en la variable manipulada Mejorar las características dinámicas de lazos de control en procesos que son secuenciados o compuestos por sub-procesos En ambos casos es necesario tener acceso a por lo menos dos variables controladas Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

El esquema en cascada puede corregir este comportamiento 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 72 73 74 75 76 IAE = 147.9971 ISE = 285.4111 temperature Limite permitido TC 2 T 1 F 3 L Fo,Ti F,T Vapor En este esquema convencional un cambio en la presión del vapor repercute fuertemente en la temperatura de salida del reactor (ver relación de flujo-P en válvulas). Si la P del vapor disminuye , el suministro de vapor al reactor disminuye provocando un descenso en la T del reactor , finalmente el controlador corrige la desviación aumentando la apertura de la válvula. Sin embargo la desviación pueden ser muy severa. El esquema en cascada puede corregir este comportamiento Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

TC 2 SP Externo FC 2 T 3 Esquema en cascada que permite que la perturbación se conozca y se corrija antes de entrar al proceso principal. Podemos distinguir: Dos controladores ( Flujo y Temperatura) Dos procesos ( Válvula-Flujo Vapor; Flujo Vapor- Temperatura) El set-point de un controlador (Esclavo) esta determinado por la salida del otro controlador ( Maestro) Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 72 73 74 75 76 IAE = 147.9971 ISE = 285.4111 temperature Cascada Lazo simple Los mejores resultados de la disposición en cascada están a la vista y son frecuentemente incorporados en lazos donde la variable manipulada está asociada directamente al flujo. Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Un diagrama de bloque de un sistema en cascada es el siguiente: En una disposición en cascada podemos distinguir un controlador maestro ( el que recibe el set-point externo y se encarga del control principal o lazo externo) y un controlador Esclavo ( que se encarga del lazo interno y su set-point es impuesto por el controlador maestro). Un diagrama de bloque de un sistema en cascada es el siguiente: Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Aspectos prácticos : Para que la disposición tenga efecto es indispensable que el lazo interno sea mas rápido que el lazo externo El controlador esclavo es habitualmente Proporcional mientras que el maestro es PI o PID Para la sintonía se procede en secuencia, primero con el esclavo y después con el maestro (con el esclavo en lazo cerrado). Los métodos son los mismos que para los lazos convencionales. Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

CONTROL PRE-ALIMENTADO o "FEED-FORWARD El control Pre-alimentado o Feed Forward (FF) es un esquema que utiliza el concepto de control no-supervisado, es decir " si conozco bien como trabaja, no necesito medir lo que resulta". Bajo este concepto, si se conoce bien el modelo del proceso y todas las entradas entonces se puede determinar sus salidas, o determinar cual debe ser el valor de una entrada para obtener una salida deseada . El Esquema FF es la base conceptual de la familia de controladores basadas en modelos MBC de (Model Based Control) Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Esquema de un controlador FF Perturbacion medida, T0 d(s) Gd(s) Variable Controlada Gff(s) Controlador FF Set-Point Yset Y (s) + Gp(s) u (s) Variable manipulada Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Gff representa una relación de cálculos para el controlador FF y dada por : La ecuación anterior es denominada la ecuación de diseño de un controlador FF , que requiere el conocimiento de las funciones de transferencia del proceso y de la perturbación Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Consideremos nuevamente el RTAC pero incorporemos una perturbación en la temperatura de entrada Ti. Si conocemos el valor de Ti y el modelo del proceso podremos calcular el valor de Q necesario para que la T de salida sea igual al set-point TC 2 T 1 F 3 L Fo,Ti F,T Vapor Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

TC 2 T 1 F 3 L FF Tset Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Características de los controladores FF Compensa el efecto de las perturbaciones antes que afecten al proceso ( efecto de adelanto) Elimina la retroalimentación mejorando las características de estabilidad Requiere mas instrumentación para conocer las variables de entrada al proceso. Se deben conocer perfectamente las funciones de transferencia del proceso y perturbaciones No compensa offset En la practica se combinan los modos FF y FB para mejorar las características del lazo dando a la parte FF la tarea de compensar perturbaciones y a la parte FB la eliminación de offset. Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

TC 2 T 1 F 3 L TY  + FF FB Esquema FB/FF Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Control de Razón (Ration Control) Disposición para relaciones estequiometricas o % de exceso FC 1 FY F 2 x Mezcla o corrientes separadas F1/F2 = Constante Corriente no controlada (wild) Corriente Manipulada SPF1 = F2*R R Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

CONTROL DIGITAL En control digital debemos hablar del ciclo de control como una secuencia de medición, transformación y transmisión de la señal, calculo de la variable de control, e implementación en el proceso. Este ciclo se realiza cada cierto tiempo que lo llamaremos Instante o Intervalo o tiempo de Muestreo To. El instante de muestreo To debe ser lo suficientemente pequeño para que no se pierda la información, ni muy pequeño para no sobrecargar sistema con cálculos redundantes. Algunos autores recomiendan lo siguiente; Flujo To = 1 s ; Presión To= 5 s ; Nivel To= 10 s. ; Temp. To=20 s. Con respecto a la dinámica del proceso: To < 0,25 Td ; To < 0,5 Tr ; max(To) = p Td: Atraso, Tr : Rise time; p Cte de tiempo Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

CONCEPTO DE ANALOGO Y DIGITAL Sistema Digital o Discreto Representación discontinua de la información en función de un conjunto finito de intervalos. Ej Binaria 8 Bits = 256 intervalos 16 Bits = 56360 intervalos Sistema análogo Representación continua de la información, puede ser representada por infinitos puntos En la tecnología digital (incluyendo control) las señales analógicas (continuas) deben ser convertidas a digital mediante un dispositivo llamado Conversor Análogo-Digital (A/D) y viceversa (D/A) Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Señal muestreada + retención orden 0 La información digital se transmite por medio de pulsos. Para que un dispositivo analógico la pueda procesar es necesario un dispositivo de retención que permite una continuidad de la señal entre dos intervalo de muestreo. La más común es la retención de orden cero que deja la señal constante hasta el próximo instante. -1.5 -0.9 -0.3 0.3 0.9 1.5 5 10 15 20 25 30 Time Señal Continua Señal muestreada + retención orden 0 To Ejemplo de señal continua, muestreada con tiempo To y sometida a retención de orden cero Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Los elementos que distinguimos en un lazo de control digital son Un Proceso y una variable a controlar (Análogo) Un sensor o dispositivo de medición (Análogo) Un conversor A/D Un sistema de muestreo To Un procesador digital con el algoritmo de control Un conversor D/A con un sistema de retención. Un elemento final de control (Análogo) Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

PROCESO E. FINAL CONTROLADOR SENSOR ENTRADAS SALIDAS E. FINAL CONTROLADOR SENSOR SET-POINT A/D D/A To Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

CONTROLADORES DIGITALES EN EL PLANO DEL TIEMPO Dado que la mayoría de los sistemas utilizan un tiempo de muestreo constante, es conveniente referirse a la escala de tiempo en una escala relativa según se ilustra en la figura. k k+1 k+2 . . . k+p FUTURO PASADO u k-1 En este esquema (k) se refiere al presente, (k-1) se refiere a un instante atrás, (k-n) son n instantes pasados, (k+1) es el próximo instante Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Algoritmos PID Digitales Dado el éxito logrado por el esquema de control PID una de los primeros desarrollos en control digital fue la derivación de su equivalente para sistemas discretos. Si consideramos que To es lo suficientemente pequeño para hacer aproximaciones de primer orden en la integral y la derivada, entonces una buena aproximación es: PID Análogo PID Digital Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Esta formulación se encuentra pre-programada en muchos sistemas de control digital. SINTONIA DE PID DIGITAL Los métodos de sintonía clásica pueden ser utilizados con cierta seguridad si es que el tiempo de muestreo es pequeño. Cuando el tiempo de muestreo es apreciable, es necesario incorporar el efecto de To. Takahashi toma el método base de Ziegler.Nichols y le incorpora el efecto del muestreo según Kc τi τd P 0.5Ku PI 0.45Ku -0.27KuTo/Pu KcPu / 0.54Ku PID 0.6Ku(1-To/Pu) KcPu / 1.2Ku 3KuPu/40Kc Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile

Controladores Avanzados Desarrollos de software/Hardware que utilizan algoritmos matemáticos complejos tomados de la IA. Se implementan en plataformas a nivel supervisor. Controladores Predictivos Control adaptable Control difuso Control experto Control neuronal Programa en Instrumentación y Control de Procesos - Universidad de Santiago de Chile