3. CONTROL EN CASCADA

Transcripción

1 3. CONTROL EN CASCADA El control en cascada es una estrategia que mejora significativamente, en algunas aplicaciones, el desempeño que muestra un control por retroalimentación y que ha sido conocida desde hace algún tiempo. Los computadores permiten la implementación de controles en cascada que son más simples, más seguros y menos costosos que los que pueden obtenerse mediante el uso de instrumentación análoga. Por lo tanto, la disponibilidad de los computadores ha facilitado que el control en cascada se implemente ahora mucho más que antes, cuando solo se utilizaba la instrumentación análoga. PROCESO DE REACCION CON PRECALENTAMIENTO En la Figura 3.1 se considera un horno donde se precalienta el componente A que se alimenta a un reactor para transformarlo en B mediante la reacción. La reacción es exotérmica y el calor liberado se remueve por medio de un fluido de enfriamiento que fluye a través de la camisa que rodea al reactor. Figura 3.1 Proceso de Reacción con Precalentamiento

2 La variable de control considerada, como importante, es la temperatura en el reactor, T R, y la estrategia de control implementa como variable a manipular el flujo de fluido de enfriamiento por la camisa. La temperatura de entrada al reactor se controló manipulando el flujo de combustible utilizado en el horno. Se observó durante la puesta en marcha del proceso que la camisa no mostraba la capacidad requerida para el enfriamiento; la válvula de regulación del flujo del fluido de enfriamiento se mantuvo abierta casi todo el tiempo. Por lo tanto, se decidió abrir la válvula completamente y controlar la temperatura del reactor manipulando el flujo de combustible al precalentador, como se muestra en la figura. La estrategia trabajó suficientemente bien mostrando un buen control automático durante la puesta en marcha. Una vez el proceso estuvo en marcha, el ingeniero de procesos observó que muy a menudo la temperatura del reactor se desviaba considerablemente del valor deseado ocasionando que el producto se obtuviera fuera de especificación. Después de verificar la sintonización del controlador por retroalimentación para asegurarse que el desempeño obtenido era el mejor posible, el ingeniero comenzó a buscar las posibles perturbaciones. Varios desajustes se hallaron alrededor del reactor mismo (temperatura y flujo del fluido de enfriamiento y otros) como también en el horno (variaciones en la temperatura de entrada de A, poder calorífico del combustible, temperatura de entrada del aire de combustión, etc). Mas aún, el ingeniero observó que repetidamente en un momento, la temperatura del reactivo a la entrada del precalentador variaba en tanto como en 25ºC, un desajuste considerable. Es algo simple el darse cuenta que el efecto de un desajuste en el horno ocasiona primero un cambio en la temperatura del reactivo que sale del mismo, T H, y esto a su vez afecta a temperatura en el reactor, T R. Cuando el controlador determina el error en T R, manipula la señal que regula la válvula por donde fluye el combustible. Sin embargo, con demasiados atrasos en el proceso horno-reactor, transcurrirá un tiempo considerable para que la temperatura en el reactor alcance nuevamente el valor deseado. A causa de estos atrasos, el simple control por retroalimentación mostrado en la figura, resultará en un control cíclico y en general lento. Una estrategia de control superior puede diseñarse haciendo uso del hecho de que los desajustes en el horno primero afectan a T H. Es lógico, por lo tanto, comenzar manipulando la válvula reguladora del flujo de combustible tan pronto como se determine la variación en T H, antes que comience a cambiar T R. Es decir, la idea no es esperar un error en T R para comenzar a cambiar la variable manipulada. Esta estrategia de control utiliza una variable intermedia, T H en este caso, para reducir el efecto de algunas dinámicas en el proceso. Esta es la idea que se maneja en la estrategia de control en cascada que se muestra en la Figura 3.2

3 Figura 3.2 Proceso Control en Cascada Esta estrategia consiste de dos sensores, dos transmisores, dos controladores y una valvula de control. Un sensor mide la variable secundaria o intermedia, T H en este caso, y el otro sensor mide la variable de control primaria, T R. Para repetir, la temperatura de salida del horno se utiliza como una variable intermedia para mejorar el control de la temperatura del reactor, que es el objetivo importante del control (variable de control). La estrategia trabaja de la siguiente manera: el controlador TC101 se informa sobre la temperatura del reactor y decide como manipular la temperatura de salida del horno para satisfacer su valor deseado. La decisión es transmitida al TC102 como el valor deseado y este a su vez manipula la señal transmitida a la válvula por donde fluye el combustible para mantener a T H en el valor deseado requerido por TC101. Si uno de los desajustes mencionados anteriormente ocurre en el horno, T H se desvía del valor deseado y TC102 toma la acción correctiva adecuada, antes que T R cambie. Por lo tanto, los elementos dinámicos del proceso se han separado para compensar los desajustes en el horno antes que afecten a la variable de control primaria.

4 En general, el controlador que mantiene la variable primaria en el valor deseado es conocido como el controlador master, externo o primario. El controlador utilizado para mantener la variable secundaria en el valor deseado requerido por el controlador master es, usualmente, conocido como el controlador esclavo, interno o secundario. CONTROL POR RETROALIMENTACION La Figura 3.3 muestra un diagrama de bloques considerado para simular el control por retroalimentación de la temperatura en el reactor en el proceso descrito anteriormente, manipulando la válvula a través de la cual fluye el combustible que se alimenta al horno. Figura 3.3 Diagrama de bloques del proceso de la Figura 3.1 Un procedimiento de sintonización en línea desarrollado con Simulink nos permite encontrar el valor último de la ganancia y el periodo de oscilación sinusoidal de la respuesta, manteniendo la temperatura de aire constante y haciendo un cambio paso unitario en el valor deseado en la temperatura en el reactor. Los valores son: Ganancia última: Periodo último:

5 CONTROL EN CASCADA La Figura 3.4 muestra un diagrama de bloques que incluye un control de la temperatura en el reactor del proceso descrito en la Figura 3.2 en cascada con el control de la temperatura en el horno. El controlador master o externo es el de la temperatura en el reactor y el controlador esclavo o interno es el de la temperatura en el horno. Figura 3.4 Control en Cascada Diagrama de bloques La determinación de la ganancia y el periodo ultimo del controlador primario demanda que se realice primero la determinación de dichos valores para el controlador secundario o interno. Sintonización del lazo de control interno Para este propósito se incluye el interruptor manual que permita la interrupción del lazo de control master y la sola conexión del lazo de control interno para la determinación de los valores últimos de ganancia y periodo de oscilación. Se incluyen sensores con dinámica de solo ganancia de un valor de 0.5

6 Introduciendo un cambio paso unitario en el valor deseado de la temperatura del horno y desarrollando un procedimiento de sintonización en línea se obtienen los siguientes valores últimos para el lazo de control interno. Ganancia última: Periodo último: Sintonización del lazo de control externo Manteniendo el interruptor desconectando al lazo de control externo y si el controlador del lazo externo se sintoniza para una acción solo proporcional, se obtiene una respuesta oscilatoria estable con una razón de decaimiento de un cuarto al asignarle como valor para la ganancia la mitad de la ganancia ultima, de acuerdo a las reglas de Ziegler y Nichols. Es decir que: Permitiendo, por medio del interruptor, la conexión del lazo de control externo se puede ensayar la determinación de su respuesta ultima y se obtienen los siguientes valores para la ganancia y el periodo de la oscilación: Ganancia última: Periodo último: Si se comparan los resultados, se observa que con la estrategia de control en cascada se alcanza una ganancia ultima mayor, o limite de estabilidad, 7.2 %CO/%TO versus 4.33 %CO/%TO que la simple estrategia del lazo de control por retroalimentación. El tiempo ultimo, 4.1 minutos versus 12.6 minutos indica que con la estrategia de control se alcanza una respuesta mas rápida que con la estrategia de control por retroalimentación simple. Con el empleo de la estrategia de control en cascada se alcanza un control global mas rápido y, algunas veces, aumenta la ganancia ultima del controlador primario

7 Ejercicio La Figura 3.5 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control por retroalimentación. El ingeniero de control encargado del proceso decidió que un sistema de control en cascada podría mejorar el desempeño del sistema de control. El esquema del control en cascada propuesto consiste en medir C 2 (s) con un sensor/transmisor con una ganancia de 0.5 y enviar la señal a un controlador (controlador esclavo). El controlador incluido en la Figura 3.5 es, entonces, el primario. Compare la estabilidad de ambos sistemas; es decir, obtenga la ganancia ultima y el periodo ultimo para ambos sistemas. Asuma que el controlador primario es solo proporcional y sintonícelo mediante el método de Ziegler y Nichols Figura 3.5 Diagrama de bloques para el ejercicio