Procesos integrativos: conclusiones finales y RESUMEN

27 Junio 2011

El ejemplo de un proceso integrativo que hemos usado (en el artículo anterior) es uno de los muchos posibles procesos donde tenemos que enfrentarnos, ya sea un problema de balance de masa o balance de energía. “Balance de Masa” es la contabilidad de toda la masa dentro y fuera de un proceso.

 

Si el flujo de masa dentro de un proceso no es igual al flujo de masa que sale del mismo, el proceso debería estar ganando o perdiendo masa en su interior. Lo mismo podemos decir de la energía: toda la energía que flujo hacia dentro y que fluye hacia fuera de un proceso debe ser igual, dado que la Ley de la Conservación de la Energía nos dice que esta no se puede crear ni destruir.

 

Ejemplos comunes de procesos integrativos incluyen:

- Control de nivel de líquido (balance de masa), cuando el flujo de líquido que entra o sale del recipiente es manipulado, y el otro es constante.

- Control de presión de gas (balance de masa), cuando el flujo de gas hacia dentro o hacia fuera del recipiente es manipulado y el otro es constante.

- Control de nivel de depósitos de almacenamiento (balance de masa), cuando el rate de alimentación al transportador es constante, y la extracción del depósito es constante.

- Control de Temperatura (balance de energía), cuando flujo caliente dentro o fuera del proceso es manipulado, y todo el resto de flujos calientes son mantenidos constantes.

- Control de velocidad (balance de energía), cuando la fuerza (lineal) o torque (angular) aplicada a un masa es manipulada, y el resto de cargas son mantenidas constantes en fuerza o torque.

 

En un proceso auto-regulatorio, el elemento de control (válvula) ejerce control sobre tanto el flujo de entrada como de salida. En artículos anteriores donde el control de flujo de líquido era el proceso de ejemplo, el balance de masa consistía en el flujo que ingresa en la válvula y el flujo de líquido que sale de la válvula. Dado que la tubería era esencialmente un camino en “serie” para un fluido incompresible, donde el ingreso de flujo debe ser igual al flujo de salida en cualquier tiempo, la masa de entrada y la masa de salida.

 

Por el contrario en un proceso integrativo, la válvula de control ejerce control sobre o el flujo de entrada o el flujo de salida, pero nunca sobre ambos. Por tanto, cambiando la posición de la válvula en un proceso integrativo causará un desbalance de flujo de masa y/o energía, resultando que la variable de proceso incremente su valor en el tiempo, y ya sea como masa o energía se acumula (o disminuye) en el proceso.

 

Nuestro “simple” ejemplo de un proceso integrativo (control de nivel) se torna más complicado si la salida de flujo dependiera del nivel, como es el caso en un recipiente gravity-drained (drenado por gravedad).

 

Si ponemos el controlador en manual y hacemos un incremento dado en válvula (step-change), el flujo de líquido que ingresa al recipiente inmediatamente se incrementaría. Eso causaría un desbalance entre el flujo de entrada y de salida, resultando que el nivel de líquido se incremente en el tiempo.  Como el nivel aumenta, se incrementa la presión electrostática en la válvula manual en la salida del recipiente provocando que el flujo de salida de incremente. Esto hace que el desbalance de masa sea menos que antes, resultando en un incremento atenuado de nivel.

 

Por lo tanto, el nivel continua creciendo, pero a una tasa menos y menos rápida que antes y asi. Todo ello hasta hacer que el nivel llegue a un punto en que la presión en la válvula manual provoca un flujo de salida igual al flujo de entrada en el recipiente. Hasta aquí, con los flujos igualados, el nivel de líquido se estabiliza sin ninguna acción correctiva del controlador (recordemos, que pusimos a manual el controlador). Note que al final el flujo de salida viene a ser función del nivel de líquido: lo que solía ser un proceso integrativo viene a ser ahora un proceso auto-regulatorio, pero con un SUSTANCIAL tiempo de retardo (lag time).

 

Muchos procesos idealmente categorizados como integrativos se comportan de esta manera. A pesar de que la variable manipulada puede controlar el flujo dentro o fuera de un proceso, el otro flujo frecuentemente cambia con la variable de proceso. Es decir PV y los cambios de carga puede hacer que el proceso sea auto-regulatorio.

 

Podemos generalizar que un proceso integrativo se convierta en auto-regulatorio haciendo notar un aspecto: alguna forma natural de “feedback negativo” (realimentación negativa) existe internamente para hacer que el sistema regrese al equilibrio. En los ejemplos de balance de masa, la física del proceso asegura un nuevo punto de balance que eventualmente será buscado porque los flujos de entrada (in-flows) y los flujos de salida (out-flows) cambian naturalmente de manera que se oponen a cualquier cambio en la variable de proceso. Hablando de balance de energía seria, se llega a un nuevo equilibrio dado que la energía que pierde o gana naturalmente cambia de manera de oponerse a cualquier cambio en la variable de proceso. La presencia de un sistema de control es, por supuesto, un ejemplo de feedback negativo que trabaja para estabilizar la variable de proceso. Sin embargo, el sistema de control puede no ser la UNICA forma de feedback negativo que trabaja sobre el proceso. Todos los procesos auto-regulatorios (self-regulating) son ASI porque ellos tienen intrínsecamente algún grado de feedback negativo actuando de manera natural, a manera de un sistema de control netamente proporcional.

 

Este UNICO detalle que altera completamente la característica fundamental de un proceso de integrativo a auto-regulatorio, y por tanto hacer cambios necesarios en los parámetros del controlador. En proceso auto-regulatorios se asegura que alguna ACCION integral dentro del controlador es NECESARIO para obtener el nuevo setpoint. Un proceso puramente integrativo, por el contrario, no requiere acción integral alguna del controlador para lograr el nuevo setpoint, y en realidad ASEGURA sufrir un overshoot seguido a un cambio de setpoint si el controlador es configurado con alguna acción integral. Ambos procesos, sin embargo, NECESITAN alguna cantidad de ACCION INTEGRAL en el controlador para recuperarse de los cambios de carga.

 

En resumen:

- Los procesos integrativos son caracterizados por un crecimiento sostenido de la variable de proceso (ramping) como respuesta a un escalón (step-change) en el elemento final de control o carga.

- Esta integración ocurre como resultado del desbalance de la masa de flujo o energía de flujo de entrada y salida del proceso.

- Procesos integrativos son idealmente controlador con la acción proporcional netamente.

- Alguna acción integral será requerida en proceso integrativos para compensar los cambios de carga.

- La cantidad de acción proporcional en un proceso integrativo depende del grado de tiempo de retardo y ruido en el sistema. Demasiada acción integral resultara en oscilaciones (time lags) o movimientos erráticos (demasiados variantes) del elemento final de control (ruido).

- Un proceso integrativo se torna auto-regulatorio si este tiene suficiente naturalmente feedback negativo en él. Esto usualmente toma la forma de variaciones de carga con la variable de proceso.

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado Ingeniero Electrónico especializado en Control, Automatizacion e Instrumentacion Industrial. Experimentado en el desarrollo, ejecución y gestión de proyectos asi como en la Operacion de sistemas automaticos.

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