CONTROL EN CASCADA
Objetivos y Principio de Funcionamiento •
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Mejorar la estabilidad de una variable del proceso Mejorar aun con una optima sintonización del controlador en lazo retroalimentado. Controlar rápidamente las variables intermedias corrigiendo el efecto de las perturbaciones de entrada antes de que estas afecten a la salida del proceso.. proceso Es una técnica donde se usa dos sistemas de medición y control control y se manipula un solo elemento final de control
Estructura de control en cascada Controlador Maestro
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Esta estructura tiene dos lazos: –
–
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Controlador Esclavo
Un lazo Primario con un controlador primario (Maestro (Maestro)) K 1(s ), ), y Un lazo Secundario con un controlador secundario (Esclavo (Esclavo)) K 2(s )
El control secundario se diseña para atenuar el efecto de la perturbación antes de que alcance a afectar significativamente la salida y(t ). ).
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El control en cascada es una estructura alternativa para rechazar perturbaciones parcialmente medibles. Controlador Maestro
Controlador Esclavo
SP Remoto
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La señal de salida de un regulador se utiliza para obtener la consigna de otro (Setpoint remoto para el esclavo). Cada controlador tiene su propia señal de referencia (SP), pero sólo el Maestro tendrá la consigna (SP) independiente (y por tanto controlable por el operador ). El controlador Esclavo elabora la señal de mando del proceso.
Ejemplo 1a: Cascada Nivel/Caudal Controlador Maestro
Controlador Esclavo
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La variable Flujo, afecta directamente a la variable Nivel
Ejemplo 1b: Cascada Nivel/Caudal qi SP1
LC
LT
FT
FC
q
ps
El controlador primario (LC) fija la consigna del controlador secundario (FC) el cual corrige el efecto de las perturbaciones de la presión ps sobre el caudal q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito 6
Ejemplo 2: Control de temperatura (enfriamiento) en un reactor
alimentación Refrigerante
Refrigerante
TT2
TC2
TT1
TC1
SP1
Producto
Cualquier cambio en la temperatura del refrigerante será corregido por el controlador secundario TC2, antes que pueda afectar significativamente a la temperatura en el reactor 7
Ejemplo 3: Control de Temperatura (calentamiento) en un Intercambiador •
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En el intercambiador de calor, la presión en el contenedor de vapor refleja mas rápidamente fluctuaciones en la fuente de vapor, que ocasiona a su vez una variación en la temperatura en el intercambiador Con la adición de un sensor, para medir la presión del vapor , y un controlador para manipular la posición de la válvula de vapor, el sistema de control de presión, crea ahora un segundo lazo de control realimentado
producto
Ejemplo 3: Control de Temperatura (calentamiento) en un Intercambiador •
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El primer lazo realimentado está basado en la temperatura del producto en el intercambiador de calor. Sin embargo, en lugar de posicionar directamente la válvula de vapor, la salida del controlador primario es ahora usado para ajustar el punto de referencia del controlador secundario. Entonces es el segundo controlador quien regula la válvula. El lazo secundario hace la mayoría del trabajo encargándose de mantener una temperatura constante del producto. Su mayor acción es minimizar los efectos de los disturbios en el lazo secundario. En contraste, el lazo primario actúa cuando existe disturbios o cambios en la carga dentro del proceso , debido a esto el SP del controlador secundario necesita estar cambiando por la acción del controlador primario
Ejemplo 4: Control simple de temperatura de bobinado •
Se muestra un esquema de control de temperatura de bobinado en un tren de laminación de chapa en caliente. La regulación precisa de esta temperatura es uno de los factores claves que determinan la calidad de la chapa producida.
Control simple
Ejemplo 4: Control simple de temperatura de bobinado •
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En el esquema simple, la temperatura de bobinado y(t) se controla mediante la regulación del caudal q(t) de agua que alimenta el banco final de enfriamiento. La regulación del caudal q(t) se realiza mediante una válvula alimentada desde un tanque que suministra el agua de enfriamiento a todo el tren de laminación. Una de las dificultades en este sistema de control es que la presión p(t) de alimentación varía. Esta variación afecta el control de temperatura, ya que para una misma señal de control u(t), el caudal de enfriamiento q(t) varía, si varía p(t).
Ejemplo 4: Control cascada de temperatura de bobinado •
Si podemos medir el caudal q(t ), una solución para atenuar el efecto de las variaciones de p(t ) sobre y(t ) es agregar un lazo adicional para regular q(t ) al valor de referencia qref (t ), generado por el primer controlador K 1( s).
Control Cascada
Ejemplo 3: Control cascada de temperatura de bobinado
Análisis de respuesta de estrategias Feedback vs cascada
1. Control de Lazo Simple: Feedback
1. Control de Lazo Simple: Feedback
1. Control de Lazo Simple: Feedback Tenemos que analizar el comportamiento del proceso:
a. Efecto de la perturbación de P sobre T del producto b. Las mediciones que son afectadas cuando ocurre una perturbación de P
1. Mejora del Control de Lazo Simple: Cascada
T=PV1 SP1
Una nueva estructura de control
MV1=SP2 MV2
F=PV
1. Comparando estrategias de Control: Feedback vs Cascada Instante en que ocurre perturbación en el flujo de vapor
Lazo Simple (Feedback)
SP Temperatura
Instante en que ocurre perturbación en el flujo de vapor
Lazo en Cascada PV1
SP Temperatura
PV1
Con el control en cascada se obtiene un mejor funcionamiento: La temperatura se aleja menos del SP frente a una perturbación interna (variación de flujo)
1. Comportamiento del Control en cascada
La perturbación en el flujo es rápidamente corregido
Instante en que ocurre
1. Comportamiento del Control en cascada alimentación PV1
Quien actúa en caso de diversas perturbaciones y/o variaciones ? PERTURBACIÓN PRESIÓN DE VAPOR
CASCADA
SP1
MV1 =SP2
SIMPLE LAZO
X
TEMPERATURA DE ALIMENTACIÓN
FLUJO DE ALIMENTACIÓN
CAMBIO DE SP1
producto
MV2 PV2
vapor
2. Otro ejemplo del Control de Lazo Simple
1. A1 mide la concentración del producto 2. Un incremento de la temperatura T3, aumenta la velocidad de reacción
2. Otro ejemplo del Control de Lazo Simple
PERTURBACIÓN
Respuesta no aceptable
SP1
PV1
2. Mejora con el Control en Cascada
OUT2 Secundario
PV2
SP2=OUT1 SP1
Primario
PV1
2. Comparando estrategias de Control: Feedback vs Cascada Lazo Simple (Feedback)
Lazo en Cascada
2. Comportamiento del Control en cascada
La perturbación en la temperatura es rápidamente corregida. El control en cascada permite compensar la perturbación
Diagramas de Instrumentación y diagramas de bloques
1. Control en cascada: Diagrama P&ID pa
FT FC
Fv q
TC
SP1
TT T
Condensado
El controlador primario o externo (TC) fija la consigna del controlador secundario o interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en p a sobre Fv antes de que alcancen al intercambiador significativamente
1.Control en cascada: Diagrama de bloques Lazo externo
Lazo interior
pa SP1
+-
Controlador primario
+ -
Controlador secundario
+ +
Proceso de vapor
Proceso de temperatura
Medición de flujo Medición de temperatura
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2. Control en cascada: Diagrama P&ID
alimentación
Temperatura del producto
PLOAD
TT1 PPV D A O L S
TC1
PSP
POUT=SSP SOUT
FC2 SPV
FT2
Combustible
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2. Control en cascada: Diagrama de bloques Lazo externo Lazo interior Perturbación
Flujo PSP
Controlador primario
+-
POUT SSP
+
Controlador secundario
-
SOUT
Proceso de flujo
Proceso de temperatura
Temperatura SPV
PPV
Transmisor de flujo transmisor de temperatura
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Consideraciones en el control en cascada
Procesos a los que es aplicable 1. La dinámica del lazo interno debe ser mucho más rápida que el lazo externo. En cualquier caso no hay empeoramiento (hay mejora) si la dinámica fuera similar. 2. La frecuencia de oscilación en el lazo secundario debe ser al menos tres veces la frecuencia en el lazo primario, si estos están bien sintonizados 3. Los controladores industriales tienen entradas y modos específicos para que funcionen como maestros o como esclavos (master/slave).
Sintonización del controlador Sintonización del controlador esclavo: Modelo del proceso afectado por este lazo de control (solo una parte del proceso). Al ser un proceso rápido, lo normal es utilizar un PI. (Necesitamos precisión, no más rapidez) Si no es un proceso demasiado rápido deberá sintonizarse con la ganancia más alta posible. El controlador esclavo se selecciona con set point remoto, mientras que el controlador maestro es de tipo local. •
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Sintonización del controlador maestro : Obtenemos un modelo del conjunto secundario (en automático) y lo agregamos al modelo del proceso. Diseñamos el regulador maestro sobre este sistema equivalente •
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