CONTROL EN CASCADA 1.- Concepto de control en cascada: Se define como la configuración donde la salida de un controlador de realimentación es el punto de ajuste para otro controlador controlador de realimentación, realimentación, por lo menos. Más exactamente, exactamente, el control control de cascada involucra sistemas de control control de realimentación o circuitos que estén ordenados uno dentro del otro. Existen dos propósitos para usar control cascada: 1. Eliminar el efecto de algunas perturaciones !aciendo la respuesta de regulación del sistema más estale " más rápida. #. Mejorar la dinámica del la$o de control.
2. Estructura %a estructura de control en cascada tiene dos la$os un la$o primario con un controlador primario tamién llamado &maestro' (1)s* " un la$o secundario con un controlador secundario tamién denominado &esclavo'(#)s*, siendo la salida del primario el punto de consigna del controlador secundario %a salida del controlador secundario es la que act+a sore el proceso
3. Ventajas del control en cascada
a* roduce estailidad en la operación * %as perturaciones en el la$o interno o secundario son corregidas por el controlador secundario, antes de que ellas puedan afectar a la variale primaria. c* -ualquier variación en la ganancia estática de la parte secundaria del proceso es compensada por su propio la$o. d* %as constantes de tiempo asociadas al proceso secundario son reducidas drásticamente por el la$o secundario. e* El controlador primario recie a"uda del controlador secundario para lograr una gran reducción en la variación de la variale primaria.
f* Es menos sensile a errores de modelado. g* ncremento de la capacidad de producción.
. L!"!tac!ones de apl!cac!#n del control en cascada
a* Es aplicale solo cuando pueden otenerse medici ones de variales adicionales de proceso. * /equiere medir las perturaciones en forma expl0cita, " además es necesario un modelo para calcular la salida del controlador. c* En algunas aplicaciones la variale con trolada no puede medirse " la realimentación no puede reali$arse.
$. D!se%o de Control en Cascada %os criterios para el diseo de control en cascada son: uede ser considerado: 1. -uando el control realimentado simple no provee un desempeo satisfactorio a la$o cerrado. #. %a medida de la variale es disponile. %a variale secundaria dee satisfacer los siguientes criterios: 1. 2ee indicar la ocurrencia de una importante perturación. #. 2ee !aer una relación causal entre la variale manipulada " la segunda variale. %a variale secundaria dee tener una dinámica más rápida que la variale primaria. 30picamente tp )tiempo pico* dee ser ma"or que 4ts )constante de
tiempo del proceso secundario*.
&. '"ple"entac!#n de Controlador en Cascada -onsideraciones rincipales para la mplementación de -ontrol en -ascada. 5na cuestión importante en la implementación de control en cascada es cómo encontrar la variale secundaria controlada más ventajosa, es decir, determinar cómo el proceso puede ser mejor dividido. %a selección de la variale controlada secundaria es tan importante en un sistema de control en cascada que es mu" +til formali$ar algunas reglas que a"uden a la selección. /egla 1.6 2isear el la$o secundario de manera que contenga las perturaciones más serias. /egla #.6 7acer el la$o secundario tan rápido como sea posile inclu"endo solamente los menores retrasos del sistema completo de control. /egla 4.6 Seleccionar una variale secundaria cu"os valores estén definidamente " fácilmente relacionados a los valores de la variale primaria. /egla 8.6 ncluir en el la$o secundario tantas perturaciones como sea posile, manteniéndolo al mismo tiempo, relativamente rápido. /egla 9.6 Escoger una variale secundaria de control que permita al controlador secundario operar a la ganancia más alta posile )la más aja anda proporcional*. Esto es dif0cil de predecir.
(. Entona"!ento de controladores En la práctica industrial los reguladores de un sistema de control en cascada son normalmente reguladores realimentados estándares tipo , , o 2. %a sinton0a de los dos reguladores se efect+a, igual que en controladores en configuración simple pero en dos etapas
S'NTON*A DEL +,CLE R'AR'O tener
un modelo de la variale controlada a camios en el punto de
consigna del controlador secundario )con el ucle secundario cerrado o en automático* Se
disea el regulador maestro sore este sistema equivalente. Sintoni$ar
el controlador primario por alguno de los métodos conocidos.
S'NTON*A DEL +,CLE SEC,NDAR'O tener
)ucle pr!"ar!o
un modelo de la parte del proceso incluida en el
secundario )modelo de conocimiento o modelo experimental )ucle secundar!o
Sintoni$ar
el controlador secundario por cualquiera de los
métodos conocidos )normalmente se utili$a un "a que el secundario dee ser un ucle rápido*
/. Co"parac!#n con control por real!"entac!#n En ocasiones el esquema de control por retroalimentación simple dee ser modificado para enfrentar condiciones especiales de perturación en el sistema " las caracter0sticas pores en estailidad " rapide$ de respuesta que éstas pueden reproducir. Estaleciendo una comparación es necesario, en primer lugar precisar el diagrama de loque " los componentes del esquema por retroalimentación simple:
2iagrama 2e ;loques 2el Esquema En /etroalimentación Simple -onsiderando el
siguiente ejemplo:
-onstituido por el !orno en el cual se quema gas, para calentar una cierta corriente " elevar su temperatura desde 3 e !asta 3S Suponiendo que disminu"e de pronto la presión de alimentación del gas comustile la ca0da de presión a través de la válvula será menor de manera que disminuirá el flujo de gas. -on el controlador de temperatura por retroalimentación simple, no se !ará ninguna corrección !asta que la temperatura final a la salida se vea finalmente disminuida. 2e esta forma, toda la operación del !orno se ve alterada por la perturación.
-on el sistema de control en cascada )fig. #*, el controlador de flujo sore la corriente de gas comustile detectará inmediatamente la disminución de gas " arirá la válvula de control para !acer que el flujo vuelva a su valor requerido. El !orno no se ve afectado entonces por la perturación
El diagrama de loques correspondiente a esta +ltima situación se muestra en la figura si guiente.
Es importante notar las siguientes diferencias entre las estructuras de control de tipo feedac= c onvencional " cascada: El
esquema de control feedac= sólo emplea un controlador, mientras que en el esquema de control en cascada se emplean dos controladores., es decir necesita una ma"or inversión en instrumentación En
el esquema de control feedac= el set6point del controlador se fija externamente )normalmente lo fija el operador del proceso*. En el esquema de control en cascada el set6point de la variale a controlador sigue siendo fijado de manera externa. Sin emargo, el set6point del controlador esclavo e s fijado por el controlador maestro. Es decir, la salida o resultado que produce el controlador maestro es simplemente el set6point al que dee operar el con trolador esclavo. %a
velocidad de respuesta del sistema se mejora en el control en cascada, si el la$o secundario tiene una respuesta más rápida que la planta interna.
2<>//
El regulador externo )temperatura63-* fija la consigna del regulador interno )presión6-* cu"o ojetivo es corregir el efecto de las perturaciones )por ejemplo, variaciones en la ca0da de presión en la válvula* sore la presión en el interior del tanque )s* antes de que afecten de forma significativa a la temperatura 3
Eje"plo de s!ste"a de control de cascada -onsidérese el sistema de control de temperatura del cuarto mostrado en la figura or simplicidad considerar que solo se necesita calentamiento " que este es provisto por el vapor caliente de un sistema de aire circulante. En la figura )a* , un termómetro convencional mide la temperatura del cuarto " fija el flujo de vapor dentro de un rango convencional de retroalimentación.
5na inspección reflexiva de la figura D conduce a la conclusión de que el tiempo de retraso asociado con el control de temperatura en el cuarto es considerale. El largo tiempo de retraso es asociado con el tiempo que le toma al cuarto camiar de temperatura, éste podr0a ser 19 o # minutos. 3amién !a" un retraso en la acción correctiva asociado con el camio de temperatura del vapor, calentando el serpent0n. ntuitivamente se podr0a pensar que éste es de # o 4 minutos. El tiempo de retraso asociado con la válvula de vapor " el termómetro es ignorado. %a figura )* muestra un arreglo en cascada en el cual un la$o secundario de control de retroalimentación de temperatura, mide " controla la temperatura del aire entrante. 5n la$o primario de control de temperatura mide " controla la temperatura del cuarto manipulando el punto de referencia o valor deseado sore el la$o de control secundario para la temperatura del aire entrante.
-on el sistema de cascada mostrado en la figura )*, a!ora se conoce cómo este responderá a las perturaciones o variaciones en la temperatura del aire entrante o en la velocidad de flujo de vapor. -laramente perturaciones que afecten al serpent0n serán perciidas por el la$o secundario locali$ado " la acción correctiva puede ser tomada inmediatamente para evitar el deterioro en la temperatura actual del cuarto.
