Como se definió en alguna parte de este curso, el control “robusto” tiene la característica de mantener la variable de proceso muy estable a pesar de los cambios de carga, producir una rápida respuesta ente los cambios de setpoint, una mínima oscilación sin importar el tiempo de cambio y un mínimo offset (error entre el valor de setpoint y variable de proceso) en el tiempo.

 

Sin embargo, este criterio no es igualmente valorado por todos los procesos y puede ser que ninguno de ellos se pueda alcanzar con un control PID simple en todos los procesos. Puede ser crítico, por ejemplo, en un control de nivel de agua de una caldera que tenga una rápida respuesta ente los cambios de carga, pero un mínimo offset en el tiempo no es para nada importante. Puede ser completamente aceptable tener un error persistente de 5% entre PV y SP en estos sistemas en particular, pero si asegurarse que el nivel de agua no se desvíe más del 20% en ningún tiempo cuando haya cambios de carga. En otros procesos, como el control de nivel de líquido dentro de una fase en un sistema evaporador multi-fase, una prioridad puede ser tener relativamente estable el control de flujo a través de la válvula que mantener estable el nivel en el proceso.Un controlador de nivel sintonizado para una respuesta agresiva ante cambios de setpoint causará fluctuaciones en el flujo de líquido en todas las fases (“efectos”) del evaporador en el caso de tener repentinos cambios de carga o setpoint, lo cual sería másperjudicial para la calidad del producto que alguna desviación del setpoint en esa fase.

 

 

 

Por tanto, debemos primero determinar las necesidades operacionales de un sistema de control antes de intentar ajustar la performance de ese sistema de control. El personal operativo (operadores, supervisores de planta, ingenieros de proceso) serán nuestro mejor recurso aquí. Al fin de cuentas ellos son nuestros “clientes internos”. Nuestra tarea es dar a los clientes un sistema con la performance que ellos necesitan para hacer el mejor trabajo!!!.

 

Tengamos en mente los siguientes objetivos en el control de proceso, sabiendo que será prácticamente imposible lograr todos en CONJUNTO con cualquier sintonización de un controlador PID. Debemos intentar priorizar o hacer un ranking de la importancia de estos objetivos, y luego centrarnos en lograr los más importantes, a expensas de los menos importantes:

 

- - Mínimo cambio de PV (estabilidad dinámica) con cambios de carga.

- - Rápida respuesta ante cambios de setpoint (mínimo error dinámico)

- - Mínimo overshoot (sobre impulso) / undershoot / oscilación seguido de cambios repentinos de carga o cambios en el setpoint.

- - Mínimo error PV – SP en el tiempo (offset).

- - Mínima velocidad de acción en la válvula.

 

Las acciones de control mejor utilizadas para un rápida respuesta ente cambios de carga o setpoint son la proporcional y la derivativa. La acción integral toma efecto solo DESPUES que el error ha tenido tiempo para desarrollarse y no puede actuar de manera inmediata como lo hace la proporcional y derivativa.

 

Si la prioridad es minimizar el overshoot o sobre impulso, undershoot y/o oscilaciones, la respuesta del controlador probablemente necesitará ser más lento de lo normal. Un nuevo valor de setpoint tomará su tiempo en lograrse, y ante cambios de carga no responderá con la misma agresividad. La acción derivativa podría ser útil en algunas aplicaciones para “domar” tendencias de oscilaciones de las acciones proporcional e integral.

 

Un mínimo error en el tiempo (offset) puede realmente ser logrado con la acción integral. Ninguna otra acción pone su “atención especial” en la magnitud y duración del error. Esto no quiere decir que el proceso trabajará bien solo con la acción integral, pero la acción integral será absolutamente necesaria.

 

Una mínima velocidad en la válvula es prioridad en procesos donde la variable manipulada tiene un efecto sobre OTRO proceso en el sistema. Por ejemplo, el control de nivel de líquido en un sistema evaporador multi-fase donde la descarga de flujo de un evaporador viene a ser la entrada de flujo para el evaporador siguiente, es un sistema donde los cambios en la variable manipulada de un lazo de control pueden perturbar los procesos en adelante.

 

En otras palabras, una sintonización agresiva del controlador de nivel en un evaporador podría lograr mantener el nivel de líquido estable en ese evaporador variando su flujo de salida, pero se hará a expensas de causar variaciones de nivel en todos los evaporadores en adelante. Casos como estos demandan una sintonización del controlador que responda de manera lenta ente los errores. La acción proporcional será probablemente limitada a valores bajos (alta banda proporcional), y la acción derivativa (si es usada) debería ser fijada para que responda solo con la variable de proceso y no con el error (PV-SP). Debemos entender que sintonizar un PID con la meta de minimizar el movimiento de la válvula resultará un una mayor desviación del setpoint que si el controlador fuera sintonizado agresivamente.

 

Un buen ejemplo de un proceso integrativo es el control de nivel de líquidos, donde el flujo de entrada o salida del recipiente es constante y el otro flujo es controlado. Si una válvula de control es abierta un determinado porcentaje (step-change), el nivel de líquido en el recipiente crecerá a una tasa proporcional con la diferencia de los flujos de entrada y salida del recipiente.

 

La siguiente ilustración muestra una instalación típica para el control de nivel de un líquido, donde la tendencia del proceso muestra la respuesta del nivel ante un scalon o step-change de la posición de la válvula (con el control controlador en modo MANUAL):

 

 

 

Es críticamente importante darnos cuenta que el crecimiento o aumento de valor de la variable de proceso respecto del tiempo es una característica inherente del proceso más no del controlador. Cuando el flujo de líquido hacia dentro y fuera del recipiente no sean iguales, el nivel de líquido dentro del recipiente cambiará a una tasa proporcional a la diferencia de estos flujos. La tendencia nos reverla la característica fundamental del proceso, mas NO del controlador (obviamente por que el controlador esta en modo MANUAL).

 

Matemáticamente,  podemos expresar la naturaleza integrativa del este proceso representando mediante el cálculo. Primero, podemos expresar la tasa de cambio del volumen en el tanque respecto del tiempo (dV/dt) en términos de flujos de entrada y salida:

 

dV/dt = Qin – Qout

 

Por ejemplo, si el flujo de líquido que entra al recipiente fuera 450 galones por minuto GPM, y el flujo constante de salida fuera 380 galones por minuto, el volumen de líquido contenido dentro del recipiente se incrementaría en el tiempo a una tasa de 70 GPM: la diferencia entre el flujo de entrada y el de salida.

 

Otra manera de expresar esta relación matemática entre el flujo y el volumen en el recipiente es usando la función de cálculo INTEGRAL:

La cantidad de volumen de líquido acumulado en el recipiente (∆V) entre un tiempo 0 y T es igual a la suma (∫) de productos (multiplicación) de la diferencia de los flujos de entra y salida del recipiente (Qin – Qout) y infinitesimales intervalos de tiempo (dt).

 

En este escenario donde la salida de flujo es mantenida constante, significa que el nivel estará estable solo si el flujo de entrada es igual al flujo de salida (Qin = Qout). A cualquier otro rate de flujo, el nivel de incrementará o disminuirá en el tiempo.

 

Esta característica del proceso coincide perfectamente con la característica de un controlador netamente proporcional, donde hay un único valor de salida cuando el error es cero (PV=SP). Imaginemos a este proceso ser controlado por un controlador netamente proporcional en modo automático, donde el valor de días (b) del controlador fuese seteado exactamente al valor necesitado por la válvula de control para hacer ingresar un flujo igual al flujo de salida. Esto significa que cuando la variable de proceso sea exactamente igual al setpoint (PV=SP), el nivel de líquido se mantendrá constante. Si ahora un operador fuera a incrementar el valor de setpoint (con el controlador en modo automático) causaría que la válvula incremente su apertura, agregando líquido a una tasa más rápida en el recipiente. La naturaleza integrativa del proceso resultará en un incremento del nivel de líquido. Como el nivel se incrementa, la cantidad de error en el controlador disminuirá, causando que la salida del controlador regrese a su valor original (bias), y que por tanto la válvula retorne a su posición original y mantenga el nivel constante de nuevo. Por tanto, un controlador netamente proporcional logrará el nuevo setpoint sin ningún offset.

 

Mientras más agresivo sea la acción proporcional del controlador, más rápido el proceso integrativo buscará el nuevo setpoint. Cuanta acción proporcional (ganancia) un proceso integrativo puede tolerar depende de la magnitud de los lags o retardos que tenga el sistema así como la magnitud de ruido en la señal de la variable de proceso. El ruido es un problema porque la acción proporcional reproducirá directamente el ruido de la variable de proceso en la señal de salida: mucha ganancia y solo un poco de ruido en PV se traducirá en la válvula de control  haciendo que esta se mueva constantemente.

 

Los procesos puramente integrativos no requieren acción integral para eliminar el offset como si es el caso de los procesos self-regulating, después de un cambio de setpoint. La acción integral del proceso elimina el offset que debería producirse después de un cambio de setpoint. Más que eso, la presencia de cualquier acción integral en el controlador produciría un overshoot en la variable de proceso.

 

Esto no quiere decir que la acción integral es completamente innecesaria en procesos integrativos. Si el proceso integrativo está sujeto a cambios de carga, solo la acción integral puede retornar PV al valor de SP (eliminando el offset). Consideremos en nuestro ejemplo de control de nivel, si el flujo de salida cambiara. Un controlador netamente proporcional será capaz de generar una nueva posición de válvula SOLO si un error es desarrollado entre PV y SP. Sin al menos alguna grado de acción integral configurada en el controlador, el error persistirá indefinidamente. O si la presión del líquido de entrada que pasa por la válvula de control cambiara, resultaría un diferente rate de flujo para la misma posición de válvula.

 

Si una válvula de control de flujo es abierta un determinado porcentaje (step-change o escalón), el flujo a través de la línea tiende a auto-estabilizarse a un nuevo valor de PV rápidamente.

 

La siguiente ilustración muestra una instalación típica para el control de flujo de un líquido, con una tendencia del proceso mostrando la respuesta del flujo luego de un escalón o step-change sobre la posición de la válvula:

 

 

 

 

La característica de un proceso auto-regulatorio es su inherente habilidad para fijar un nuevo valor en la variable de proceso sin ninguna corrección por parte del controlador. En otras palabras, hay un único valor de variable de proceso para cada valor de salida posible. La inherente rapidez de respuesta de un proceso de control de flujo de líquidos hace obviamente que tenga característica auto-regulatoria!!! la auto-estabilización del flujo generalmente se da en solo unos segundos después del movimiento de la posición de la válvula. Muchos otros procesos, además del flujo de líquido también son self-regulating también.

 

Un colorario para el principio de auto-regulatorio es que para un único valor de salida “será requerido” para lograr un nuevo valor en la variable de proceso. Por ejemplo, para lograr un mayor flujo, la válvula de control debe ser abierta más y mantenerse hasta que alcanzar el flujo deseado. Esto representa un fundamental problema para con controlador proporcional netamente. Recordando la forma para un controlador proporcional, definimos el valor de salida (m) por el error (e) entre la variable de proceso y setpoint multiplicado por la ganancia (Kp) y sumado el valor de bias (b):

 

m = Kp*e + b

 

Supongamos que encontramos el controlador donde el error ese cero (PV = SP), y el flujo esta estable en algún valor. Si nosotros incrementamos el valor de setpoint (por tanto llamando a un mayor valor de flujo), el error se incrementará, conduciendo la válvula a abrirse más y más. Como la válvula de control se empieza a abrir, entonces el flujo naturalmente se incrementará para hacer el error cero. Este incremento en la variable de proceso  conducirá entonces  que el error trate de volver  a cero, que a su vez hará que el controlador disminuya su valor de salida hacia donde estaba antes del cambio de setpoint. No obstante, el error nunca regresará del todo a ser cero como lo estuvo, dado que de ser así la válvula tendría que regresar a su antigua posición y causaría que el flujo se auto-regule de regreso a su original valor como antes de que el setpoint haya sido cambiado. Lo que pasa en realidad, es que la válvula de control empieza a cerrarse conforme el flujo se incrementa, y eventualmente el proceso encuentra un punto de EQUILIBRIO donde el flujo es estable a un valor menor del setpoint, creando un error suficiente para manejar la válvula lo suficientemente abierta para mantener este flujo. Desafortunadamente, debido a la necesidad de un error, este nuevo flujo caerá finamente debajo de nuevo setpoint. Este error es llamado offset o droop, y es una inevitable consecuencia de un controlador netamente proporcional que intenta controlar procesos self-regulating.

 

Para cualquier valor de bias, habrá solo un valor de setpoint que es perfectamente lograble para un controlador proporcional en procesos auto-regulatorios.  Cualquier otro valor de setpoint resultará siempre algún valor de offset en procesos auto-regulatorios. Si la estabilidad dinámica es mas b que la precisión absoluta (cero offset) en procesos auto-regulatorios, tal vez un controlador proporcional puede ser suficiente. Una gran cantidad procesos auto-regulados en la industria han sido y siguen siendo por controladores netamente proporcionales, a pesar de algún inevitable grado de offset entre PV y SP.

 

La cantidad de offset experimentado por un controlador proporcional en procesos self-regulating puede ser minimizado incrementando la ganancia del controlador. Si fuera posible incrementar la ganancia de un controlador proporcional de manera infinita, podríamos lograr un setpoint deseado con cero offset!!! Sin embargo, hay un límite práctica que podemos incrementar la ganancia, y que por tanto limita la oscilación. Si un controlador es configurado con demasiada ganancia, la variable de proceso espesará a oscilar en el tiempo, y nunca estabilizarse en algún valor de todo, lo cual por supuesto es altamente indeseable para cualquier sistema de control automático. Incluso si la ganancia no es muy elevada como para causar oscilaciones sostenidas, una excesiva ganancia causará aún problemas haciendo que la variable de proceso oscile disminuyendo si amplitud por un periodo de tiempo  cuando cambiemos repentinamente de setpoint o ante cambios de carga. Determinar un valor óptimo de ganancia para un controlador proporcional en procesos self-regulating es, y será, un dilema entre tener excesivo offset y excesivas oscilaciones.

 

Recordemos que el propósito de un control integral (o “reset”) fue la eliminación del offset. La acción integral trabaja actuando sobre la salida del controlador a una tasa determinada por la magnitud del offset: mientras más diferencia exista entre PV y SP ente un controlador integral, la velocidad que la salida de controlador se incrementará sobre el tiempo será mucho más rápida. De hecho, la salida de estabilizará en algún valor solo si el error disminuido a cero (PV=SP). De esta manera, la acción integral trabajo agresivamente para eliminar el offset.

 

Por tanto es razonable decir que los procesos self-regulating requieren absolutamente alguna cantidad de acción integral en su controlador para lograr un cero offset para cualquier setpoint o condición de carga. Cuanto más agresiva (rápida) sea la acción integral del controlador, mas pronto el offset será eliminado. Cuanta cantidad de acción integral un proceso self-regulating puede tolerar depende de la magnitud de los tiempos de retardo (lags) en el sistema. Mientras más rápida sea la respuesta natural del proceso ante un step-change en la salida en modo manual, mucho mejor será la respuesta ante una agresiva acción integral en el controlador una vez que lo pongamos en modo automático. Una acción de control integral en procesos lentos, daría lugar a oscilaciones debido al problema de “integral wind-up”. Recodemos que el efecto de wind-up ocurre cuando la acción integral “demanda” más de lo que el proceso puede entregar. Si la acción integral es muy agresiva para un proceso (por ejemplo una acción integral rápida en un proceso lento), la salida cambiará muy rápido, causando que la variable de proceso “overshoots” o sobre pase al setpoint y esto causaría que la acción integral provoque oscilaciones.

 

Es común encontrar procesos self-regulating controlador por controladores netamente integrales. El control de flujo de líquidos es un candidato casi ideal para este tipo de controladores, debido a su auto-regulación y su rápida respuesta natural.

 

En resumen:

-Los procesos self-regulating (auto-regulatorios) son caracterizados por su habilidad natural de estabilizarse a un valor nuevo de variable de proceso cuando ocurre un cambio en el elemento final de control o cambio de carga.

- Los procesos self-regulating requieren OBSOLUTAMENTE una acción integral del controlador para eliminar el offset entre la variable de proceso y setpoint.

-La acción integral agresiva del un controlador provoca la rápida eliminación del offset;

-La cantidad de acción integral tolerable en procesos self-regulating depende del tiempo de retarto en el sistema (time lag). Demasiada acción integral o demasiada acción proporcional causarían oscilaciones en el sistema,

En ambos casos el actuador incluye un servomotor brushless, su convertidor y un motion controller, liberando de esta manera una gran cantidad de espacio en el armario eléctrico, y abaratando enormemente el cableado, porque la tirada de cables del armario a la máquina ya no son metros de cable especial para servomotor, sino simples líneas de  alimentación y de control, de bajo coste. La electrónica está alimentada directamente a 230 Vac monofásicos, con lo que no es necesario ningún transformador ni fuente de alimentación adicional.

La tecnología usada en los actuadores lineales de Exlar es la de los husillos planetarios, mucho más robusta incluso que los husillos a bolas, lo que les dota de una muy alta robustez, comparable a la de los cilindros hidráulicos pero sin sus problemas de mantenimiento, y garantiza una vida útil extraordinariamente larga incluso funcionando de forma ininterrumpida. Este tipo de actuadores ofrecen una alternativa muy ventajosa para la sustitución de cilindros neumáticos o hidráulicos hasta 18 kN continuos (44 kN de pico) y velocidades hasta 800 mm/s.

Las versiones rotativas del Tritex II pueden incorporar de fábrica un reductor planetario si es necesario, conformando así la solución más compacta posible para un actuador rotativo y su control.

 

+ INFORMACIÓN:Mecánica Moderna
www.tritex2.com



 

El acto de llevar a cabo funciones de control se refiere al proceso que se desarrolla dentro de un sistema, el cual tiene como antecedente que una o varias magnitudes de entrada (variables física que se encuentran en el medio ambiente) incidan y manipulen a su vez una serie de magnitudes de salida, todo esto, a partir de una lógica de control que conlleve de manera implícita acciones bajo el principio de “seguridad intrínseca” que sea propia del sistema.

 

A un sistema de regulación automática en el que la salida es una variable como temperatura, presión, flujo, nivel de liquido o pH, se le denomina sistema de control de proceso. El control de procesos tiene amplia aplicación en la industria. En estos sistemas con frecuencia se usan controles programados, como el de la temperatura de un horno de calentamiento en que la temperatura del mismo se controla según un programa preestablecido.

 

Por ejemplo el programa preestablecido puede consistir en elevar la temperatura a determinado valor durante un intervalo de tiempo definido, y luego reducir a otra temperatura prefijada también durante un periodo predeterminado. En este control el punto de referencia se ajusta según el cronograma preestablecido. El controlador entonces funciona manteniendo la temperatura del horno cercana al punto de ajuste variable.

 

En la Fig. 2.3, se puede apreciar el esquema para el control mediante una computadora de la temperatura en un horno eléctrico. La Temperatura en el interior del horno se mide con una Termocupla (Dimetálico), que es un dispositivo analógico. La Temperatura se convierte a un valor de temperatura digital, por un convertidor A/D y con esta se alimenta a un controlador a través de una interfaz con la finalidad de pasar la señal de voltaje a lenguaje de computadora (Código Binario). La Temperatura digital se compara con la temperatura de referencia es decir la temperatura de entrada programada; y ante cualquier discrepancia (Error), el controlador envía una señal al Calefactor, a través de un amplificador, y relevador, para llevar la temperatura del horno eléctrico al valor deseado, y obtener de esta manera una operación satisfactoria.

 

Fig. 2.3 Sistema de control de temperatura

 

El empleo de un amplificador es para aumentar la potencia puesto que generalmente los procesos se realizan en pequeñas voltajes, bajas potencias.

 

El relevador o interruptor recibe señal de la computadora si se enciende o se apaga; se apaga el relevador cuando obtenemos la temperatura deseada y permanece encendido mientras no se llegue al valor.

 

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