ISA. UVA 1
Estructuras de control
(Control avanzado)Prof. Mª Jesús de la Fuente
Dpto. Ing. de Sistemas, UVA
ISA. UVA 2
Estructuras de control
• Modificaciones de lazos de control convencionales para mejorar:– Rechazo de perturbaciones– Mantenimiento de proporciones– Operación con varios objetivos– Operación con varios controladores– Operación con varios actuadores– Etc.
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Estructuras de control
• Control en cascada• Control feedforward• Control ratio• Control selectivo• Control override• Control de rango partido (split range)• Control inferencial• Ejemplos de control de varias unidades de procesos• Metodología de diseño
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Lazo de control simple
TT
uTC
w
q T
Condensado
pa
Fv
Respuesta ante cambios en la presión de alimentación: Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el regulador modificando u
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Reguladores en Cascada
TT
TC
w
q T
Condensado
pa
Fv
FC
FT
El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv antes de que alcancen al cambiador significativamente
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Reguladores en cascada
W T
pa
TC Vapor Cambiador
q
FvFC
El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv antes de que alcancen al cambiador significativamente
ISA. UVA 8
Reguladores en cascada
W T
pa
TC Vapor Cambiador
q
FvFC
Proceso principal (TC-Cambiador) lento Proceso secundario (FC-Vapor) rápido Perturbaciones sobre el proceso secundario de efecto controlableMas instrumentación
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Sintonía/Operación
WR1 G2 G1R2
y
Sintonizar primero los lazos interiores, luego los exteriores En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que uno simple Si un lazo está en manual, todos los externos a el deben estar en manual
ISA. UVA 10
Diagrama equivalenteW
R1 G2 G1R2
yu1 y2
)s(G)s(R1)s(G)s(R
22
22
+
WR1 G1
yu1y2
)s(WRGGR)RG1(
RGGR)s(W
RG1RGGR1
RG1RGGR
)s(Y 1221122
22111
22
2211
22
2211
1 ++=
++
+=
ISA. UVA 11
Cascada Temp-Presión
TT
TC
w
q T
Condensado
pa
Fv
PC
PT
El regulador interno (PC) de presión corrige mas perturbaciones y de forma mas eficaz
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Reguladores en cascada
W T
pa
TC Vapor Cambiador
q
psPC
El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (PC) el cual corrige el efecto de los cambios en pasobre ps antes de que alcancen al cambiador
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Control de nivel
q
LC
w
uLT
qi
h
Respuesta ante cambios en la presión en la línea de descarga: Su efecto se traduce a un cambio de h que es corregido por el regulador modificando u
ps
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Control en cascada
q
FC
w
uLT
qi
h
LC
FT
El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno(FC) el cual corrige el efecto de las perturbaciones ps sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito
ps
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Cascada Nivel-caudal
W h
ps
LC Caudal Depósito
qi
qFC
El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige las perturbaciones sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito
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Temperatura- Reactor
Reactor
TT
T
RefrigeranteProducto
TC
Respuesta ante cambios en la temperatura de refrigerante Ti : Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el regulador modificando u
u
Ti
Reactante
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Cascada Temp-Temp
Reactor
TT
T
Refrigerante
TC
Ti
TTTCTr
El regulador externo (TC1) fija la consigna del regulador interno (TC2) el cual corrige las perturbaciones en Tr antes de que alcancen significativamente a la temperatura T
Reactante
ISA. UVA 18
Cascada Temp-Temp
W T
Ti
TC1 Refrig ReactorTr
TC2
El regulador externo (TC1) fija la consigna del regulador interno (TC2) el cual corrige las perturbaciones en Tr antes de que alcancen significativamente a la temperatura T
ISA. UVA 22
Compensación en adelanto
TT
uTC
w
q T
Condensado
pa
Fv
Respuesta ante cambios en el caudal q ó en Ti: El regulador solo empieza a corregir cuando T se ha modificado.
Ti
ISA. UVA 23
TT
uTC
w
q T
Condensado
pa
Fv
Feedforward
Respuesta ante cambios en el caudal q : La salida del regulador se modifica de acuerdo a los cambios de q para compensar su efecto en T
FT
FY
ISA. UVA 24
Feedforward
U(s) Y(s)
P(s)GF
G
Gp
Producir a través de GF y G un cambio en Y(s) igual y de sentido contrario al que se produce a través de GP al cambiar P(s) para compensar este
ISA. UVA 25
Feedforward
• Perturbaciones medibles y de efecto no controlable directamente
• Necesita instrumentación y cálculo adicional
• GP debe ser mas lenta que G• Es una compensación en lazo abierto que
debe emplearse normalmente junto a un regulador en lazo cerrado
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Diagrama de bloques
uW YR
P
G
GP
+-
GF
[ ][ ] [ ]
)s(P)s(R)s(G1G)s(G)s(G)s(W
)s(R)s(G1)s(R)s(G)s(Y
)s(P)s(G)s(G)s(G)s(Y)s(W)s(R)s(G)s(P)s(G)s(P)s(G)s(U)s(G)s(Y
PF
PF
PF
++
++
=
++−==++=No se modifica
la dinámica en lazo cerrado
ISA. UVA 27
Cálculo de GF
U(s) Y(s)
P(s)GF
G
Gp
[ ][ ]
)s(G)s(G)s(G0)s(P)s(G)s(G)s(G)s(U)s(G)s(P)s(G)s(P)s(G)s(U)s(G)s(Y
PF
PF
PF
+=++=
=++=
)s(G)s(GG P
F −=
ISA. UVA 28
GF práctica
)s(G)s(GG P
F −=
No tiene la realizabilidad asegurada Puede ser de alto orden Validez limitada al rango de validez de GP y G
GF practica:
)1as()1bs(KG F
F ++
−=KKK P
F =
ISA. UVA 29
Lead/Lag
0 20 40 60 80 100 1200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 20 40 60 80 100 1200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
)1as()1bs(KG F
F ++
−=
b > ab < a
ISA. UVA 34
Modelo Temp- warm flow
)1s)(1s(e)1s(k)s(G
21
sdL
p +τ+τ+τ
=−
2)182.0(
87.0)107.4(17.0
+
−+−−=
s
ses
ISA. UVA 35
Cambiador compensadorFeedforward
2s87.0
2
s87.0
PF )1s82.0(
)1s4)(1s96.0(34.0
1s96.0e46.0
)1s82.0(e)1s4(17.0
)s(G)s(GG
++−+
=
+−
++−−
=−= −
−
ISA. UVA 37
Compensación estática / modelo
TT
TC
w
q T
Condensado
pa
Fv
FC
FT
TTFT
v
ieH
)TT(qcvF ρΔ
−=
Debe incorporarse la dinámica del proceso El modelo estático puede usarse en lugar de KF
1s1as
++
τ
ISA. UVA 39
Control de proporciones
Producto A Producto B
Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla
RCFT FTFY
FAFB/FA
FB
r
ISA. UVA 40
Control ratio
Producto A Producto B
Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla
r
FCFT FTFF
F rF
Mejores características dinámicas
ISA. UVA 41
Control ratio/relación
FCFT FTFFRCFT FTFY
AB
2B
A
A
B
F1
Fr
FF
Fr
FFr
A
=∂∂
−=∂∂
=
rFF
1FF
rFF
A
B
B
B
AB
=∂∂
=∂∂
=
A B
Variable controlada
Gan. perturbación
Gan. Var. manipuladaGan. variable Gan. cte
ISA. UVA 42
Diagrama de bloques
aFA FBReg Flujoa
FA+-
Se fija la consigna del lazo de control de flujo FB en proporción al flujo medido FA
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Control Selectivo
TT TTTT
TC
Reactor Tubular
Refrigerante
Reactivos
Como seleccionar la medida de temperatura?
T
x
ISA. UVA 44
Control Selectivo
TT TTTT
TC
HS
Reactor Tubular
Refrigerante
Reactivos
Se selecciona la mayor de las temperaturas en cada instante
ISA. UVA 45
Control Selectivo
FT FC
FT FC
FT FC
SC
PT
ST
PC
Aire
Las demandas variables de cada usuario obligan a fijar w continuamente en el valor mas alto previsible
w
CompresorMotor
ISA. UVA 46
Control Selectivo / VPC
FT FC
FT FC
FT FC
SC
PT
ST
PC
Aire
w
CompresorMotor
HSVPC
90%
La presión se ajusta automáticamente para que la válvula mas abierta lo esté al 90%
VPC: Valve position control
ISA. UVA 47
Control selectivo / Seguridad
ReactorAT AT
HSAC
Catalizador
Reactante
Ante un fallo (lectura a cero) en un analizador se mantiene la señal del otro al controlador. En un fallo de lectura a 100% el controlador (AC) pararía la planta
ISA. UVA 48
Control selectivo / Seguridad
ReactorAT AT
MSAC
Catalizador
Reactante
Otra opción es utilizar políticas de 2 contra uno, o de selección del valor medio
AT
< <
>
<
Selector de valor medio
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Control Override
q
LC
wL
u
LT
qi
hFT FC
wF
LS
wL
<
Requisitos : wL nivel mínimo a mantener
Flujo cte.
ISA. UVA 50
Control Override
FC
FT
TC
TT
LS
TCTT
wT
Mantener la temperatura T sin que se sobrepase una temperatura máxima wT en los humos del horno
T
Gas
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Control Override
PT
PC
TT
TC
FT
FC
LS LS
Pmin Tmax
Protección de la bomba ante presión baja a la entrada (surge) o subida de temperatura
ISA. UVA 52
Control override
FT
FC
SC
PT
ST
PC
CompresorMotor
LS
wP
Requisitos: Flujo tan constante como sea posible, sin que se sobrepase una presión máxima wP en la linea a pesar de las demandas variables
ISA. UVA 54
Seguridad
FT FC
PC
PT
Pmax
A la atmósfera
Limitar la presión máximaen la línea de suministro
ISA. UVA 58
Control inferencial
uXC
Valor inferido de xXYPT
TT
A menudo hay variables, como las composiciones de una columna, para las que es caro o difícil disponer de medidas fiables y rápidas, por lo que su valor se estima, o infiere, a partir de medidas de proceso, leyes físicas, modelos tipo NN o equivalentes,…
ISA. UVA 59
Control Inferencial
q
uFTFC
TT PT
FY
Se calcula el flujo másico a partir de las medidas de flujo volumétrico, presión y temperatura
Flujo másico
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