Principios y aplicaciones del control en cascada

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Principios y aplicaciones del control en cascada. Yunnan Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. explica, a través de ejemplos, los principios del control en cascada, la selección de los instrumentos necesarios para este tipo de control y los métodos para configurar los parámetros del sistema de control en cascada. El objetivo de utilizar el control en cascada en las instalaciones industriales es mejorar la respuesta ante perturbaciones externas y limitar el rango de control de la carga. 1. Mejora de la respuesta a las perturbaciones mediante control por retroalimentación. El objetivo de utilizar un controlador de temperatura para el control es hacer que el estado del objeto a controlar (la temperatura medida) se acerque rápidamente al valor deseado (la temperatura establecida, etc.). Ante cualquier perturbación, se busca que la diferencia entre el valor deseado y el estado del objeto a controlar sea cero. Entonces, ¿cómo es que el control por retroalimentación logra suprimir el desorden en el estado de control causado por las perturbaciones? Como se muestra en la Figura 1, a continuación se explica el ejemplo del uso de un termostato para controlar la temperatura del líquido medicinal. Figura 1: Sistema de control de retroalimentación simple. Componentes de un sistema de control de retroalimentación simple: 1. Sensores en el sitio. 2. Actuadores (válvulas de regulación, convertidores de frecuencia, etc.). 3. Controlador de temperatura de circuito simple. En casos donde se requiere el control de la temperatura y existen grandes demoras en la respuesta del sistema, es recomendable utilizar controladores con algoritmos de inteligencia artificial o de control difuso, además de aquellos que permitan el ajuste automático, a fin de evitar situaciones de sobrecontrol o subcontrol en condiciones de grandes demoras. Este sistema de control por retroalimentación de temperatura simple utiliza la apertura de las válvulas para modificar el caudal de vapor, y así controlar la temperatura del líquido medicinal. Las principales causas de perturbaciones son los cambios en la temperatura del vapor y los cambios en su presión. Si se emplea un control por retroalimentación cuando se generan estas perturbaciones en este sistema de control, es difícil reducir rápidamente el caos en la respuesta causado por las perturbaciones, ya que los efectos no pueden ser corregidos mediante el controlador de temperatura hasta que se manifiestan como cambios en la temperatura del líquido medicinal. Figura 2: Respuesta cuando disminuye la temperatura del vapor. 2. Mejora de la respuesta ante perturbaciones mediante el uso combinado con control feedforward. En el sistema de control mostrado en la Figura 1, si es posible medir los cambios en la temperatura del vapor y se sabe con precisión cuál es la cantidad de corrección necesaria (valor de salida MV), entonces el uso combinado con control feedforward permite mejorar los efectos causados por las variaciones en la temperatura del vapor, en comparación con el uso exclusivo del control feedback. Figura 3: Sistema de control feedforward. Componentes del sistema de control feedforward: 1. Sensores en el lugar donde se encuentra el sistema. 2. Actuadores (válvulas de regulación, convertidores de frecuencia, etc.). 3. Regulador PID de circuito simple. En casos donde es necesario controlar la temperatura, por ejemplo, en situaciones con grandes demoras en la respuesta del sistema, es recomendable utilizar reguladores que cuenten con algoritmos de inteligencia artificial o control difuso, además de capacidad de autoregulación, para evitar sobrerregulación o subregulación en tales condiciones. 4. Módulos de operaciones aritméticas. La Figura 3 muestra un sistema de control feedforward que permite detectar la temperatura del vapor. Cuando esta temperatura cambia, es posible corregir ese cambio de manera rápida. De este modo, las fluctuaciones en la temperatura del vapor pueden mantenerse dentro de límites mínimos. Sin embargo, como la temperatura del líquido medicinal no se ve afectada por el caudal de vapor, generalmente resulta difícil determinar correctamente el caudal de vapor (la relación entre las perturbaciones y los cambios en el estado de la temperatura). Por lo tanto, mejorar los resultados del control mediante el uso del control feedforward está limitado. Además, como el sistema de control feedforward de la Figura 3 solo compensa la temperatura del vapor, no tiene efecto alguno en las variaciones de presión del mismo. 3. Mejora de la respuesta a las perturbaciones mediante control en serie. En el sistema de control mostrado en la Figura 1, las perturbaciones supuestas son “cambios en la temperatura del vapor” y “cambios en la presión del vapor”. En ambos casos, dichos cambios se reflejan como variaciones en la energía suministrada al líquido medicinal; como resultado de ello, la temperatura del líquido medicinal también varía. Por lo tanto, se puede suponer que, incluso si la temperatura o la presión del vapor varían, la energía que el vapor proporciona al líquido medicinal podrá mantenerse constante, y así la temperatura del líquido medicinal debería permanecer en un valor estable. Desde este punto de vista, se trata de un sistema que detecta la temperatura en la parte inferior del tanque donde se encuentra el líquido medicinal que aporta energía, y esa información se utiliza en el circuito de control. Figura 4: Configuración de un sistema de control en serie. Los componentes que componen un sistema de control en serie son: 1. Sensores en el campo. 2. Actuadores (válvulas de regulación, convertidores de frecuencia, etc.). 3. Reguladores PID de circuito simple. En casos donde se requiere el control de la temperatura y existe un gran retraso en la respuesta del sistema, es recomendable utilizar reguladores con algoritmos de inteligencia artificial o control difuso, además de aquellos que permiten ajuste automático, para evitar situaciones de sobreajuste o subajuste en condiciones de gran retraso. 4. Regulador de entrada externa. Como se muestra en la Figura 4, los dos reguladores funcionan en serie; la salida de uno de ellos sirve como valor de entrada para el otro regulador. Este tipo de configuración se denomina “control en serie”. Su funcionamiento es el siguiente: el regulador MASTER tiene como objetivo lograr que la temperatura del líquido químico sea la temperatura deseada; este regulador determina la temperatura en la parte inferior del tanque donde se encuentra el líquido químico, y esa temperatura se utiliza como valor de entrada para el regulador SLAVE. El controlador SLAVE (esclavo) sirve para que la “temperatura en la parte inferior del tanque con el líquido medicinal” sea la temperatura objetivo determinada por el controlador MASTER (principal), y así se establece la “salida de apertura”. Figura 5: Diagrama de bloques del circuito de control en serie.
SV: Temperatura objetivo del líquido químico.
FL: Caudal de vapor.
SVs: Temperatura objetivo en la parte inferior del tanque de líquido químico.
PVS: Temperatura medida en la parte inferior del tanque de líquido químico.
MV: Ángulo de apertura de la válvula de control de caudal.
PV: Temperatura medida del líquido químico.
G1: Característica de respuesta de la temperatura en la parte inferior del tanque al caudal de vapor.
G2: Característica de respuesta de la temperatura en la parte inferior del tanque al punto de medición de la temperatura del líquido químico.
En un sistema de control en serie, cuando la temperatura o presión del vapor cambia, el controlador esclavo detecta este cambio como un cambio en la temperatura de la parte inferior del tanque. Para que la diferencia de temperatura con respecto al valor establecido por el controlador principal sea “0”, se ajusta el ángulo de apertura de la válvula de control. De esto se deduce que este sistema puede suprimir rápidamente las fluctuaciones de temperatura causadas por perturbaciones, en comparación con un sistema de control por retroalimentación simple como el mostrado en la Figura 1. Figura 6: 4. Limitación del rango de control de la carga mediante control en serie. Figura 7: Sistema de control de temperatura de circuito simple. Figura 8: Sistema de control de temperatura en serie. Si el valor de salida del controlador es del 100%, es posible que el calentador se dañe. Para mantener la temperatura del calentador por debajo de 600 °C, se necesita el control en serie de la Figura 8. Si se desea establecer el rango de entrada del controlador de temperatura secundario en 0-600 °C, entonces la salida en MV del controlador de temperatura principal, que oscila entre 0% y 100%, equivaldrá a un valor objetivo SV del controlador de temperatura secundario de 0-600 °C. De esta manera, la temperatura del calentador podrá mantenerse por debajo de los 600 °C. 5. Resumen del control en cascada. ¿Cree que ha comprendido cómo el control en cascada mejora las características de respuesta ante las perturbaciones? Figura 9: Diagrama de bloques del circuito de control en serie. Como se muestra en la Figura 9, el circuito de control en serie consta de 2 circuitos. El circuito que se encarga de controlar la variable de control (PV), con el fin de obtener retroalimentación, se denomina “circuito MASTER”. El circuito que se encuentra dentro del “circuito MASTER” se denomina “circuito SLAVE”. 6. Para que el control en cascada logre un buen resultado, es necesario cumplir con las siguientes condiciones: ① Debe ser posible formar circuitos subordinados. ②La perturbación ocurre en el circuito secundario. ③En cuanto al retraso en la velocidad de respuesta del objeto de control principal, el retraso en la velocidad de respuesta del objeto de control secundario es menor. Tenga en cuenta que, si no se cumplen las condiciones mencionadas anteriormente, el control en cascada no podrá mejorar adecuadamente la respuesta ante las perturbaciones que ocurren en el circuito principal; por lo tanto, el control en cascada no logrará un buen resultado en términos de control. Ser capaz de ajustar con precisión los parámetros PID y poner en marcha los sistemas de control automático representa el nivel de habilidades en automatización de los ingenieros técnicos. Sin embargo, muchas personas no dominan realmente el control PID ni el ajuste de sus parámetros.