10 Sistemas de control avanzado
Los sistemas de control más habituales en las industrias agroalimentarias son los basados en controladores de tipo PID. Estos controladores proporcionan un rendimiento suficientemente bueno en la mayor parte de las ocasiones, pero hay situaciones en las generan un respuesta adecuada a las necesidades del proceso. En esos casos es necesario recurrir a los sistemas de control avanzado. En este capítulo vamos a ver una descripción cualitativa de algunos de estos sistemas de control avanzado.
10.1 Procesos con retrasos grandes
Es un hecho que los retrasos son una de las principales fuentes de inestabilidad de los lazos de control por retroalimentación. Las causas de la inestabilidad son variadas, pero se pueden destacar las siguientes:
- Las perturbaciones que entran en el proceso no pueden ser detectadas hasta que ha pasado un periodo significativo de tiempo
- Las acciones de control se basarán en medidas inadecuadas, ya que serán lecturas que ya no son actuales
- La acción de control requerirá más tiempo hasta que su efecto se sienta en el proceso
Con objeto de reducir el impacto negativo de los retrasos grandes se puede utilizar el compensador de Smith.
Veamos el sencillo lazo de control de la Figura 10.1. La función de transferencia del proceso es:
\[G_p(s) = G(s) \mathrm{e}^{-t_ds}\]
La respuesta del proceso en función del error es:
\[y(s) = G_c(s) G(s) \mathrm{e}^{-t_d s} \varepsilon(s)\]
La respuesta del proceso tiene un retraso de valor \(t_d\). Los problemas de inestabilidad se podrían eliminar si se pudiera eliminar dicho retraso de la ecuación.
Para eliminar el efecto del retraso se puede utilizar el compensador de Smith, tal como se muestra en la Figura 10.2. El compensador trata de predecir el efecto del retraso sobre el sistema para eliminar el efecto negativo. En este caso, la entrada al comparador es \(y^∗(s)\):
\[y^*(s) = y(s)+\left(1-\mathrm{e}^{t_d s} \right)G(s)c(s) = y(s)+\left(1-\mathrm{e}^{t_d s}\right)G(s)G_c(s)\varepsilon(s)\]
Operando se obtiene:
\[y^*(s) = G_c(s)G(s)\varepsilon(s)\]
En cierta manera se puede decir que el efecto del compensador de Smith es eliminar el retraso del lazo de control, tal como se muestra en la Figura 10.3. Es importante remarcar que la representación de dicha figura muestra el resultado matemático de la compensación del retraso, no es una representación de la realidad.
El funcionamiento del compensador de Smith será tan bueno como buena sea la estimación realizada del retraso y de la función de transferencia del proceso.
10.2 Control en cascada
El control en cascada se utiliza cuando se tiene una variable manipulable y más de una variable medida.
Consideremos el intercambiador de calor de la Figura 10.4. En este intercambiador se enfría una corriente mediante una camisa por la que circula un refrigerante. En el caso de que haya un aumento en la temperatura de la alimentación (\(T\)), el lazo de control medirá ese cambio y actuará en consecuencia aumentando el caudal del refrigerante (\(F_c\)) para que disminuya la temperatura \(T\). La regulación es, en este caso, rápida y efectiva.
¿Qué ocurre si el cambio se produce en la temperatura del refrigerante (\(T_c\))? En este caso el sistema de control es mucho menos efectivo. El sistema de control no registra la variación de la temperatura del refrigerante hasta que esta no modifica la temperatura de la alimentación. Este proceso es lento e inconveniente ya que provoca un cambio no deseado en la temperatura del producto que se está enfriando.
La solución consiste en utilizar un control en cascada, tal como se muestra en la Figura 10.5. En un sistema de control en cascada hay dos lazos de control que actúan sobre una misma variable manipulable. En este ejemplo, el lazo que mide la temperatura \(T\) es el lazo dominante, primario o maestro y utiliza una consigna suministrada por el operador. El segundo lazo de control es que el que mide la temperatura \(T_c\) y es el lazo secundario o esclavo. Este lazo utiliza como consigna la salida del lazo de control primario.
La ventaja del control en cascada es que si se produce un cambio en la \(T_c\) el lazo de control secundario actúa con gran rapidez, eliminando la perturbación antes de que afecte a \(T\). Es muy habitual utilizar el control en cascada cuando se realiza control de caudal.
El sistema convencional de control por retroalimentación de este ejemplo se puede mostrar de manera generalizada en la Figura 10.6. Para el ejemplo en cuestión el Proceso II es la camisa del intercambiador de calor y el Proceso I es el interior del intercambiador.
Al utilizar un sistema de control en cascada el diagrama de bloques que se obtiene es diferente (Figura 10.7). El lazo de control secundario se utiliza para controlar el proceso II y el lazo de control primario controla el proceso I. De esta manera las perturbaciones que afectan al proceso II pueden ser corregidas con rapidez, antes de que puedan alterar al proceso I.
Los controladores de los sistemas de control en cascada son reguladores PID estándar. Con frecuencia el controlador secundario es un controlador P o un PI con una acción integral pequeña. El motivo es que no hay problema si se produce un offset en el control secundario, ya que no es el objetivo del sistema de control.
Para que funcione correctamente un control en cascada, la dinámica del control secundario debe ser mucho más rápida que la del control primario para que no haya problemas de estabilidad. La sintonía de estos sistemas se realiza en dos pasos. En primer lugar, se realiza la sintonía del lazo secundario utilizando cualquiera de los lazos habituales y, a continuación, se sintoniza el lazo primario utilizando los diagramas de Bode.