XII. OTROS ESQUEMAS DE CONTROL

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1 XII. OTROS ESQUEMAS DE CONTROL Para mejorar el control e un proceso puee ser necesario incluir iferentes tipos e esquemas e control, los cuales logran efectos iferentes, sobre las variables a controlar, e los que se obtienen cuano se introuce un esquema en retroalimentación simple. Entre otros, los esquemas e control a estuiar serán los que se mencionan a continuación: - Esquema e control en cascaa. - Esquema e control e alimentación aelantaa. - Esquema e control e relación ESQUEMA DE CONTROL EN CASCADA Para un sistema e control e retroalimentación simple sólo se involucra una variable meia y una variable manipulaa en el lazo e control, tal como se muestra en la fig. 12.1, one se plantea un lazo e retroalimentación simple para el control e la temperatura el cruo a la salia el horno. FI DIARAMA DE BLOQUES DEL CONTROL EN FI ESQUEMA DEL HORNO RETROALIMENTACIÓN SIMPLE Este tipo e esquema mantiene la temperatura el horno, Y(s), en su valor e referencia, R(s), pero es iniferente a las istintas perturbaciones que se presenten en el proceso. Por ejemplo, si se presenta una perturbación en el flujo el gas, se presentará a posteriori una variación en la temperatura e salia, lo cual perturba a la variable a controlar. Añaieno un esquema e control en cascaa, como se muestra en la figura 12.3, se logra minimizar el efecto e icha perturbación. Allí se observa que al variar el flujo e gas, icha variación será meia y la información irá al controlaor e flujo cuya referencia viene establecia por el controlaor e temperatura.

2 FI ESQUEMA DEL HORNO CON UN CONTROLADOR EN CASCADA Otro ejemplo en el cual se puee añair un esquema e control en cascaa es un reactor con reacción exotérmica, en el cual se busca mantener constante la temperatura T e la mezcla (figura 12.4). En la camisa circula un refrigerante cuya temperatura T R se consiera una perturbación. La temperatura T i también se consiera una perturbación. La única variable manipulaa es el flujo e refrigerante F R. FI REACTOR CON REACCIÓN EXOTÉRMICA El iagrama e bloques e este esquema e control e retroalimentación simple es semejante al que se muestra en la figura 12.2, one r(s) será la temperatura el reactor T y R(s) será la referencia e icha temperatura. En icho lazo e retroalimentación se mie la temperatura T, se lleva al controlaor, one se compara con la referencia y e allí se emite la acción e control que va a la válvula manipulano F R. Este esquema e control no será muy efectivo si cambia T C, pues el esquema e control sólo tomará una acción ante icho cambio, cuano T se vea moificaa.

3 Una forma e mejorar icho esquema, es meir T C y tomar una acción e control antes e que el cambio en T C tenga efecto sobre la temperatura T, si T R aumenta se ebe aumentar F R y viceversa (figura 12.5). Este esquema e control en cascaa, en el que se mien os variables T y T C y se tienen os lazos con una sola variable manipulaa (F R ), se muestra en la figura FI ESQUEMA DEL REACTOR CON CONTROL EN CASCADA. (a) El lazo e control que mie T (variable principal), usa como referencia el valor e T fijao por el operaor. (b) El lazo e control que mie T C (variable secunaria), utiliza la salia el controlaor primario como referencia y es llamao el lazo esclavo. Este tipo e esquema es muy común en procesos químicos. El iagrama e bloques el mismo puee ser resumio como sigue: Lazo Principal Lazo Secunario T i T R p2 p1 Ref C -1 C -2 V Proceso I Tc Proceso II - Meior Meior FI. 12. DIARAMA DE BLOQUES DE UN CONTROLADOR EN CASCADA

4 El proceso I (primario) tiene como salia a la variable principal a manipular y como entraa a la perturbación en T R. El proceso II tiene como salia T R y como entraa F C. Resumieno, un esquema e control en cascaa tiene como objetivo minimizar las perturbaciones internas al lazo e retroalimentación simple. Aemás presenta una mayor rapiez e respuesta ante ichas perturbaciones que un sistema e control con sólo retroalimentación simple ESQUEMA DE CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA (FEED- FORWARD). Un esquema e control en alimentación aelantaa mie la perturbación y toma acción para reucir el efecto e icha variable sobre la variable a controlar. La iferencia entre este tipo e esquema y el anterior es que la alimentación aelantaa se utiliza para minimizar las perturbaciones externas al lazo e retroalimentación simple. En el siguiente ejemplo se puee apreciar claramente el efecto que se busca al añair este tipo e lazo. Lazo I: Esquema e retroalimentación simple en el cual se controla la temperatura T, manipulano el flujo e vapor. En este lazo e control si se tienen variaciones e T i, el controlaor no toma ninguna acción, sino hasta que la temperatura T se vea moificaa. Lazo II: Este sería un lazo en alimentación FI 12.7 ESQUEMA DE LA PLANTA aelantaa, el cual toma una acción una vez que mie una variación en la temperatura (T i ) a la entraa. En general, se puee mostrar en los siguientes iagramas, la iferencia entre un lazo e retroalimentación simple y un alimentación aelantaa. Perturbación Perturbación Controlaor Variable Manipulaa Proceso Variable Controlaa Variable Manipulaa Controlaor Proceso Variable Controlaa FI 12.8 ESQUEMAS DE CONTROL EN FEED FORWARD FI 12.9 ESQUEMAS DE CONTROL EN RETROALIMENTACIÓN SIMPLE

5 En estos iagramas se puee observar claramente que un esquema en retroalimentación simple toma acción una vez que se haya moificao la variable a controlar, en tanto que, la alimentación aelantaa toma acción en el momento en que la perturbación presente una variación. Entre otras cosas se puee mencionar que en un esquema e control en alimentación aelantaa la variable a controlar no es la variable a meir, aemás, el controlar ebe incluir la información relativa al sistema, (funamentaa en un moelo el sistema), pues este ebe conocer el efecto que tiene la perturbación sobre la variable a controlar. Esto implica que este controlaor no es convencional, sino, particular según el sistema. A meia que sea mejor el moelo el sistema, mejor será el controlaor en alimentación aelantaa. En forma general, se puee plantear el siguiente proceimiento para el iseño el controlaor en alimentación aelantaa. Perturbación (s) Proceso m(s) Variable manipulaa p Y(s) Salia el proceso FI ESQUEMAS DEL PROCESO SIN CONTROL En esta figura se muestra un proceso que no tiene ningún esquema e control, por lo que la salia y(s) será: y(s) = m(s)p (s) Si el valor e referencia eseao para y(s) fuese y ref (s) se puee escribir: Y ref (s) = m(s)p (s) A partir e esta ecuación se puee encontrar el valor e m(s) (variable manipulaa) tal que, y(s) = y ref, como: m(s) y = ref (s) e aquí que se efinirán las siguientes funciones e transferencia (s) C (s) = Función e transferencia el controlaor en Alimentación (s) p p

6 aelantaa. 1 ref (s) = Función e transferencia el elemento e referencia. (s) A partir e aquí se puee plantear el Diagrama e Bloques para el esquema planteao: yref(s) 1/ - (s) /p Proceso Retroalimentación aelantaa m(s) p y(s) FI DIARAMA DE BLOQUES CON CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA Si se le añaen las funciones e transferencia el meior y el elemento final e control entonces el esquema completo será: y ref (s) m/ - m (s) Retroalimentación aelantaa m(s) p m f p y(s) Proceso Elemento final e control RESUMIENDO: FI DIARAMA DE BLOQUES CON CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA COMPLETO La señal meia no es la señal controlaa El controlaor no es un controlaor convencional (P, PI, PID) sino que epene el moelo el proceso (p, ) Debio a que no es un moelo perfecto el controlaor tenrá allí su mayor ebilia. Este esquema pareciera perfecto, pues, se aelanta a tomar acciones e control en el momento en que aparecen perturbaciones, pero, sería necesario ientificar toas las perturbaciones posibles, para así poer implementar tantos lazos como sea necesario, lo que no es posible. Aemás, si hubiese algún cambio en un parámetro físico no porá ser compensao, pues no sería etectable. Por too lo anterior, lo mejor sería introucir un esquema e control que contenga

7 alimentación aelantaa y retroalimentación a la vez cuyo Diagrama e Bloques se muestra seguiamente: Alimentación aelantaa y ref (s) m/ - m 2 (s) c 2 y ref (s) - c 1 f p y(s) m 1 Retroalimentación Simple FI DIARAMA DE BLOQUES CON CONTROL EN ALIMENTACIÓN ADELANTADA A partir e icho iagrama se puee obtener: y = p m(m) C (s) y sustituyeno se tiene: C 2 p f C 1 y(s) = 1 p f C1 m1 m y ref p f 1 p f C2 C1 m2 m1 (s) De allí se observa que la estabilia el sistema a lazo cerrao epene e la ecuación: 1 p f c1 m1 = 0 Sieno esta ecuación epeniente sólo el lazo e retroalimentación, es más, p f c1 m1 es la función e transferencia e lazo abierto para el lazo e retroalimentación. Por lo que se puee concluir que la estabilia el sistema sólo epene el lazo e retroalimentación, y no se ve alteraa al añair un lazo e alimentación aelantaa ESQUEMA DE CONTROL DE RELACIÓN: Se utiliza para controlar la relación entre os flujos, los os flujos son meios, pero sólo uno es controlao. Se pueen mostrar os configuraciones para el control e relación:

8 ESQUEMA (a): Se mien ambos flujos y se obtiene su relación, se compara con la relación eseaa (referencia) y se manipula uno e los flujos. ESQUEMA (b): Se mien ambos flujos, se multiplica el flujo no controlao por la relación eseaa y se utiliza como referencia para un controlaor e flujo que manipulará el otro flujo para obtener el resultao eseao. Este tipo e esquema es muy utilizao en iferentes procesos químicos como, Relación entre os reactantes, relación aire (combustible, etc.) 12.4 ESQUEMA DE CONTROL OVERRIDE Este es un tipo e esquema e control selectivo con el cual es posible controlar más e una variable tenieno una sola variable manipulaa, transfirieno la acción e control e un controlaor a otro según sea la necesia. Es utilizao para evitar que algunas variables puean alcanzar límites peligrosos, inferiores o superiores, que puean perjuicar el buen funcionamiento e una planta. Para ello se utilizan ciertos tipos e switches, el HSS (High Selector Switch) y el LSS (Low Selector Swich), los cuales se utilizan para evitar que una variable puea exceer e un valor máximo o mínimo respectivamente. Un ejemplo típico para este tipo e esquema e control se puee implementar en una calera, one la presión el vapor e salia es una variable controlaa, pero el nivel el líquio entro e la calera ebe mantenerse en observación, pues no puee bajar má allá e un valor mínimo. En la siguiente figura se muestra un esquema e control en Overrie, en el cual el Lazo I se utiliza para mantener el control sobre la presión e salia y si el nivel presenta un valor menor al mínimo establecio, el LSS cambia e esquma e control y pone en funcionamiento el Lazo II, con la intención e controlar el nivel.

9 Otro ejemplo e aplicación para este tipo e esquema e control se presenta en el sistema e protección e un compresor, en el cual su escarga es controlaa con un sistema e control e flujo en cascaa con un control secunario e la velocia el motor, tal como se muestra en la siguiente figura. Para prevenir que la escarga sobrepase ciertos valores e presión se introuce el esquema e control en Overrie utilizano un HSS (High Switch Selector), que transfiere la acción e control entre el lazo I y el Lazo II al ocurrir una sobrepresión en la escarga ESQUEMA DE CONTROL SPLIT-RANE Un esquema e control e este tipo es aquel que tenieno solamente una variable meia y controlaa, puee manipular más e una variable para lograr lo establecio. Es ecir, se controla una sola variable coorinano acciones sobre varias variables, que tienen el mismo efecto sobre la variable controlaa. A continuación se muestra un ejemplo en el cual se implanta un esquema e control e este tipo, en el cual se esea mantener controlaa la presión e una línea e gas

10 proucto e la salia e varias caleras. En este caso, se manipulan los flujos e salia e caa una e las caleras simultáneamente para lograr la presión e salia eseaa.