Sistemas de Control de Procesos

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.

 

Un sistema de regulación automática es un sistema de control en el que la entrada de referencia o salida deseada son, o bien constantes o bien varían lentamente con el tiempo, y donde la tarea fundamental consiste en mantener la salida en el valor deseado a pesar de las perturbaciones presentes. Por ejemplo los controles automáticos de presión y temperatura en un proceso químico.

Servosistemas : Definiciones

El servosistema (o servomecanismo) es un sistema de control retroalimentado en el que la salida es algún elemento mecánico, sea posición, velocidad o aceleración. Por tanto, los términos servosistema o sistema de control de posición, o de velocidad o de aceleración, son sinónimos.

 

Estos servosistemas se utilizan ampliamente en la industria moderna. Por ejemplo con el uso de servosistemas e instrucción programada se puede lograr la operación totalmente automática de máquinas herramientas.

 

Nótese que a veces se denomina también servosistema a un sistema de control cuya salida debe seguir con exactitud una trayectoria determinada en el espacio (como la posición de una aeronave en el espacio en un aterrizaje automático). Los ejemplos incluyen el sistema de control de una mano de robot, en que la misma debe seguir una trayectoria determinada en el espacio al igual que una aeronave en el sistema de control de aterrizaje.

Como se ha visto anteriormente, el control retroalimentado es una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia, realizándolo sobre la base de esta diferencia.

 

Aquí sólo se especifican las perturbaciones no previsibles, ya que las previsibles o conocidas siempre pueden compensarse dentro del sistema. Se denomina sistema de control retroalimentado a aquel que tiende a mantener una relación preestablecida entre la salida y alguna entrada de referencia, comparándolas y utilizando la diferencia como medio de control. Por ejemplo el control de temperatura del tanque mezclador de la Fig. (1.1). Midiendo la temperatura de salida del tanque y comparándola con la temperatura de referencia (temperatura deseada), la válvula de entrada de vapor regula el flujo de éste aumentando o disminuyendo para mantener la temperatura de la corriente de salida en el valor deseado.

Todo proceso industrial es controlado básicamente por tres tipos de elementos el transmisor (medidor o sensor) (TT), el controlador (TC) y la válvula o elemento final de control, según puede verse en la Fig. 2.1.

 


La Fig. 2.1 corresponde al típico intercambiador de calor, en el que un fluido de calefacción (vapor) calienta un producto de entrada o carga hasta una temperatura de salida que es transmitida por TT y controlada por TC (o controlada e indicada por TIC, o controlada y registrada por TRC) a través de una válvula de control V. Esta deja pasar el vapor de calefacción suficiente para mantener la temperatura del fluido caliente en un valor deseado o punto de consigna que es prefijado (valor de referencia o “set point”) en el controlador TC.

 


La combinación de los componentes transmisor-controlador-válvula de controlproceso, que actúan conjuntamente, recibe el nombre de sistema y cumple el objetivo de mantener una temperatura constante en el fluido caliente de salida del intercambiador. Cada uno de los componentes anteriores considerados aisladamente es también un sistema, puesto que cada uno cumple un objetivo determinado. Por ejemplo, el transmisor convierte los valores de la temperatura a señales neumáticas o electrónicas; el controlador mantiene la señal de entrada constante para cada punto de consigna o valor deseado fijado por el operador, mediante la variación de la señal de salida a la válvula de control; la válvula de control convierte la señal de entrada neumática o electrónica a posición de su vástago y, por tanto, gobierna el caudal de vapor con que alimenta el serpentín del intercambiador de calor; el proceso cumple el objetivo de calentar el fluido hasta T de salida, mediante la entrada de vapor, y lo hace a través de un serpentín, del que se elimina continuamente el condensado con un purgador. Nótese que en cada uno de los sistemas anteriores se ha considerado una entrada y una salida; por ejemplo, en el caso de la válvula de control, la entrada es la señal procedente del controlador y la salida es el caudal de vapor al serpentín; y en el caso del proceso, la entrada es el caudal de vapor que pasa a través de la válvula y la salida es la temperatura del fluido caliente:

 

a) Control neumático

b) Control electrónico

Fig. 2.1 Proceso industrial típico

 

Estos sistemas se representan mediante un rectángulo llamado bloque, la variable o variables de entrada constituidas por flechas que entran en el rectángulo, y la variable o variables de salida representadas por flechas que salen del rectángulo. De este modo, el sistema de la Fig. 2.1 quedaría representado según se ve en la Fig. 2.2 denominado diagrama de bloques.

 

El proceso puede sufrir perturbaciones que pueden afectar el proceso; por ejemplo, el mal funcionamiento del purgador de vapor, las variaciones de caudal o de temperatura del fluido de entrada (carga), los cambios de temperatura exteriores al intercambiador, el posible recubrimiento, con el tiempo, de la pared del serpentín que está en contacto con el fluido, con la consiguiente alteración en la transmisión del calor de condensación del vapor, las variaciones de presión del vapor producidas por el consumo variable de vapor en los sistemas próximos al considerado, o por otras causas, etc.

 

Fig. 2.2 Diagrama de bloques de un proceso industrial típico

 

El sistema de control anterior pertenece a los denominados servosistemas. En su significado más amplio, el servosistema corresponde a un sistema de mando y control automático de aparatos basado en la anulación de las desviaciones que existan entre el valor instantáneo de la magnitud a regular y el valor prescrito para la misma. Un caso particular de los servosistemas son los controladores o reguladores; en ellos la respuesta o señal de salida tiende fundamentalmente a contrarrestar las perturbaciones que afectan a la variable o magnitud de entrada. Este es el caso del TC de la Fig. 2.1. En estos aparatos, la magnitud de entrada se fija en un valor constante (que es el valor de referencia o punto de consigna del controlador) o en un valor variable con el tiempo según una ley programada (se trata entonces de controladores programadores). Otro caso particular son los servomecanismos.

Requisitos generales de sistemas de control. Todo sistema de control debe ser estable.Este es un requisito básico, además de estabilidad absoluta, un sistema de control debe tener una estabilidad relativa razonable; es decir, la respuesta debe mostrar un amortiguamiento razonable. Asimismo, la velocidad de respuesta debe ser razonablemente rápida, y el sistema de control debe ser capaz de reducir los errores a
cero, o a un valor pequeño tolerable.

 

Cualquier sistema de control, para ser útil, debe satisfacer estos requisitos. El requisito de estabilidad relativa razonable y el de la precisión de estado estacionario tienden a ser incompatibles, por lo tanto, al diseñar sistemas de control resulta necesario efectuar el mejor compromiso entre estos dos requerimientos.

 

Teoría de control moderno versus teoría de control clásico. La teoría de control clásica utiliza extensamente el concepto de función de transferencia (o transmitancia). Se realiza el análisis y el diseño en el dominio de s (Laplace) y/o en el dominio de la frecuencia. La teoría de control moderna que esta basada en el concepto del espacio de estado, utiliza extensamente el análisis vectorial-matricial. El análisis y el diseño se realizan en el dominio del tiempo.

 

La teoría de control clásica brinda generalmente buenos resultados para sistemas de control de una entrada y una salida. Sin embargo, la teoría clásica no puede manejar los sistemas de control de múltiples entradas y múltiples salidas.En estos artículos se presentan en su primera parte los métodos de control clásicos, frecuentemente denominados métodos de control convencional y en una segunda parte los métodos de control moderno. Nótese que los procedimientos clásicos o convencionales, ponen énfasis en la comprensión física y utilizan menos matemática que los métodos de control modernos. En consecuencia los métodos de control clásicos o convencionales son más fáciles de entender.

 

Modelado matemático. Los componentes que abarcan los sistemas de control son muy diversos. Pueden ser electromecánicos, hidráulicos, neumáticos, electrónicos, etc. En ingeniería de control, en lugar de operar con dispositivos o componentes físicos, se les reemplaza por sus modelos matemáticos. Obtener un modelo matemático razonablemente exacto de un componente físico, es uno de los problemas más importantes en ingeniería de control. Nótese que para ser útil, un modelo matemático no debe ser ni muy complicado ni excesivamente simple. Un modelo matemático debe representar los aspectos esenciales de un componente físico. Las predicciones sobre el comportamiento de un sistema, basadas en el modelo matemático, deben ser bastante precisas. Nótese también que sistemas al parecer diferentes, pueden representarse por el mismo modelo matemático.

 

El uso de tales modelos matemáticos permite a los ingenieros de control desarrollar una teoría de control unificada. En ingeniería de control, se usan ecuaciones diferenciales lineales, invariantes en el tiempo, funciones de transferencia y ecuaciones de estado, para modelos matemáticos de sistemas lineales, invariantes en el tiempo y de tiempo continuo.

 

Aunque las relaciones entrada-salida de muchos componentes son no-lineales, normalmente esas relaciones se linealizan en la vecindad de los puntos de operación, limitando el rango de las variables a valores pequeños. Obviamente, tales modelos lineales son mucho más fáciles de manejar tanto analíticamente como por computadora.

 

Análisis y diseño de sistemas de control. Al llegar a este punto, es deseable definir que significan los términos análisis, diseño, análisis de respuesta transitoria, y otros. Por análisis de un sistema de control se entiende la investigación, bajo condiciones especificadas, del comportamiento de un sistema cuyo modelo matemático se conoce. Como cualquier sistema consta de componentes, el análisis debe comenzar con una descripción matemática de cada componente. Una vez que se ha elaborado un modelo matemático del sistema completo, la forma en que el análisis se lleva a cabo es independiente de si el sistema físico es neumático, eléctrico, mecánico, etc. Por análisis de respuesta transitoria se entiende generalmente la determinación de la respuesta de una planta a señales y perturbaciones de entrada. Por análisis de respuesta en estado estacionario significa la determinación de la respuesta tras la desaparición de la respuesta transitoria.

 

Por diseño de un sistema, se entiende hallar uno que cumpla una tarea dada, si las características de respuesta dinámica y/o de estado estacionario no son satisfactorias, se debe agregar un compensador al sistema.

 

Por síntesis se entiende encontrar, mediante un procedimiento directo, un sistema de control que se comporte de un modo específico. Generalmente, tal procedimiento es totalmente matemático de principio a fin del proceso de diseño. Se dispone de procedimientos de síntesis para el caso de sistemas lineales y para sistemas lineales de control óptimo.

 

En años recientes, las computadoras digitales han jugado un importante papel en el análisis, diseño y operación de sistemas de control. La computadora puede utilizarse para efectuar los cálculos necesarios, para simular los componentes de un sistema o una planta, o para controlar un sistema. El control por computadora ha llegado a ser de uso común, y muchos sistemas de control industrial utilizan controladores digitales.

 

Método básico de diseño de control. El método básico de diseño de cualquier sistema de control práctico, entraña la obligada aplicación de procedimientos de tanteo. La síntesis de sistemas de control lineales es teóricamente posible, y el ingeniero de control puede determinar sistemáticamente los componentes necesarios para realizar el objetivo propuesto. En la práctica sin embargo, el sistema puede estar expuesto a muchas restricciones, o no ser lineal, y en tales casos no se cuenta actualmente con métodos de síntesis. Acaso, además, las características de los componentes no se conozcan con precisión. Por tanto, siempre resultará necesario seguir procedimientos de tanteo.

 

No obstante en la práctica a menudo se enfrentan situaciones en las que un proceso no es alterable (esto es, no se tiene la libertad de modificar la dinámica del proceso), y el ingeniero de control tiene que diseñar el resto del sistema, de modo que el conjunto cumpla con las normas previstas en tanto se lleva a cabo la tarea propuesta.

 

Las especificaciones pueden incluir factores tales como la velocidad de respuesta, amortiguamiento razonable, exactitud en estado estacionario, confiabilidad y costo. En algunos casos los requerimientos o especificaciones pueden darse explícitamente, y en otros no. Todos los requerimientos o especificaciones deben interpretarse en términos matemáticos. En el diseño convencional, se debe estar seguro de que el sistema de lazo cerrado sea estable, y que presente características de respuesta transitoria aceptables (esto es velocidad y amortiguamiento razonables), y exactitud aceptable en estado estacionario.

 

Es importante recordar que algunas de las especificaciones quizás no sean realistas. En tal caso, las especificaciones deben revisarse en las primeras etapas del diseño. Asimismo las especificaciones dadas, acaso incluyan condiciones contradictorias o conflictivas. Entonces el diseñador debe resolver en forma satisfactoria
los conflictos entre los muchos requerimientos dados.

 

El diseño basado en teoría de control moderna, requiere que el diseñador tenga un índice de comportamiento o desempeño razonable, que lo guíe en el diseño de un sistema de control. Un índice de comportamiento es una medida cuantitativa del comportamiento, que indica la desviación con respecto al comportamiento ideal. La selección de un índice de comportamiento particular se determina por objetivos del sistema de control.

 

El índice de comportamiento puede ser la integral de una función de error que  debe minimizarse. Estos índices de comportamiento, basados en la minimización de la integral del error, pueden usarse tanto en los procedimientos de control moderno, como en los de control convencional. Sin embargo, en general la minimización de un índice de comportamiento se puede lograr mucho más fácilmente usando procedimientos de control modernos.

 

La especificación de la señal de control durante el intervalo de tiempo operativo, recibe el nombre de ley de control. Matemáticamente, el problema básico de control es determinar la ley de control óptimo, sujeta a diversas restricciones de ingeniería y de economía, que minimice (o maximice, según el caso) un índice de comportamiento o desempeño determinado. Para el caso de sistemas relativamente simples, se puede hallar la ley de control en forma analítica. En el caso de sistemas complejos, puede requerirse una computadora digital que opere en línea para generar la ley de control óptimo. Para sistemas de control industrial, el índice de comportamiento puede ser el costo mínimo, la confiabilidad máxima, etc. Es importante puntualizar que la elección del índice de comportamiento es sumamente importante, ya que la naturaleza de control óptimo diseñado depende del índice de comportamiento particular que se elige.

Para el ejemplo del tanque de la Fig. 1.1, asumiendo que el caudal de entrada no permanece constante, es lógico pensar que manteniendo constante la cantidad de calor para el calentamiento, la temperatura de salida no será constante, sino que variará de acuerdo como cambie la cantidad de alimentación. Esta relación está dada por la ecuación:


T = Tis + qs/W Cp ...(1.3)

 

Si el caudal de entrada W aumenta, la temperatura de salida T disminuye y si W disminuye T aumenta. En un proceso real esta variación en el caudal se puede deber a problemas en una etapa anterior al tanque o del sistema de bombeo. Este cambio que altera el curso normal del proceso se denomina perturbación. Las perturbaciones pueden deberse también a situaciones que no están dentro del proceso como por ejemplo en este caso la temperatura del medio ambiente la cual influirá en la pérdida de calor a los alrededores si el sistema no está debidamente aislado con el consiguiente cambio en la temperatura de salida. Si la temperatura o cualquier otra variable del proceso cambia, se tiene el estado no estacionario, por lo que es necesario hacer las correcciones respectivas para volver al estado estacionario.

 

 

Si una máquina está siendo usada para controlar el proceso, es necesario decidir en adelante precisamente que cambios deberán hacerse en la entrada de calor q para cada situación posible que pueda ocurrir. Nosotros no podemos contar con el juicio de la máquina tanto como del operario. Las máquinas no piensan; ellas simplemente ejecutan una tarea predeterminada de una manera también predeterminada. Para tener la capacidad de hacer las decisiones de control con anticipación (y alimentar los datos a la máquina) es necesario conocer como cambia la temperatura en el tanque en respuesta a cambios en Ti y q.

 

 

Para esto es necesario escribir el balance de energía al estado no estacionario o transitorio (dinámico). Los términos entrada y salida en este balance son los mismos que los usados en el balance al estado estacionario, Ec. (1.1), en adición aquí hay una acumulación transitoria de energía en el tanque, la cual
puede escribirse:

Acumulación = ρVCp dt/ dT       energía / tiempo


donde

ρ = densidad del fluido

V = volumen del fluido en el tanque
t = variable independiente, tiempo


Con lo cual la ecuación de balance de energía será:

 

ρVCp dt/dT = W Cp Ti – W Cp T + q  .... (1.4)

 

Asumiendo que los flujos de entrada y salida son iguales y constantes, así como el término ρ V, el cual es la masa del fluido en el tanque (W), también constante, Se tiene :

 

ρVCp dt/dT = W Cp (Ti – T) + q .... (1.5)

 

La Ec. (1.1) es la solución al estado estacionario de la Ec. (1.5), obtenida para el tiempo cero.

Los Niveles de Control: tipos

Control manual.Cuando el trabajo de regular alguna variable con el fin de compensar alguna alteración en el proceso es ejecutada manualmente (por un operario), basado en mediciones previas de la variable controlada y en la experiencia.

 

Control automático simple. Cuando el trabajo anterior es ejecutado por una máquina, obedeciendo indicaciones dadas de antemano según el tipo de proceso a controlar y el modo de acción de la máquina (controlador) Este modo de control es ejecutado en forma individual para cada sistema de proceso.

 

Control automático por computadora. Es la forma moderna de control de procesos, es un control integral (de todo el proceso) mediante una sola máquina (computadora digital), la cual analiza las señales dadas por los puntos de medición y emite las señales respectivas hacia los elementos que regulan las variables.

Control de Procesos: definicion

Para el caso b) del articulo anterior (Estado Estacionario)la variable controlada será la temperatura de salida la cual se ha fijado en 40 oC, así, si el flujo de entrada de agua fuese 1000 kg/h, se debe agregar qs a razón de 15000 kcal/h., asumiendo que el flujo de entrada de agua en algún momento, no sea constante, es necesario decidir que tanto debe ser cambiado el calor de entrada q desde qs para corregir cualquier desviación de T desde TR. Una solución podría ser colocar un operario del proceso, quien deberá ser responsable de controlar el proceso de calentamiento.

 

El operario deberá observar la temperatura en el tanque, presumiblemente con un elemento de medida tal como una termocupla, un termómetro o un sensor y comparar esta temperatura con TR, él deberá aumentar la entrada de calor y viceversa. A medida que él sea experimentado en esta tarea, sabrá cuanto cambiar q para cada situación. Sin embargo, esta tarea relativamente simple puede ser fácilmente y a menor costo ejecutada por una máquina. El uso de máquinas para este y similares propósitos es conocido como control automático de procesos.

Un proceso es denominado al estado estacionario (estático) cuando ninguna de sus variables están cambiando con el tiempo. Al estado estacionario deseado, puede escribirse un balance de energía para el proceso de calentamiento:

 

qs = W Cp (Ts – Tis)  ...(1.1)

 

donde qs es calor entrando al tanque y el subíndice s es adicionado para indicar valor de diseño al E.E. Por un diseño satisfactorio, la temperatura al E.E. de la corriente de salida Ts debe ser igual a TR (temperatura de referencia). De aquí:

 

qs = W Cp (TR – Tis) ...(1.2)

 

Sin embargo, es evidente que, si el calentador es ajustado para entregar una carga de calor constante qs, al cambiar las condiciones del proceso, la temperatura en el tanque también cambiará de TR. Una condición típica del proceso que puede cambiar es la temperatura de entrada Ti.

 

Una solución obvia al problema es diseñar el controlador de tal manera que la entrada de calor sea variada para mantener la temperatura T igual o cerca de TR.

 

Ejemplo1.1


Considerando el tanque de calentamiento mostrado en la Fig. 1.1, en el cual se desea calentar agua, desde una temperatura de entrada de Tis = 25 oC, podemos encontrar la cantidad de calor necesario para dos situaciones:

 

a) Si mantenemos constante el flujo de entrada de agua por decir 1 m3/h (1000 kg/h) y deseamos determinar la cantidad de calor para calentarlo a diferentes temperaturas (por ejemplo entre 25 y 50 oC).

 

Haciendo un programa Matlab podemos tener el calor necesario para diferentes temperaturas:

 

t=25:5:50;
Q=1000*1.0*(t-25);
disp('Temperatura de salida Calor')
disp([t',Q'])

Al ejecutar el programa tenemos el calor necesario para diferentes temperaturas de salida manteniendo constante la masa de entrada:

 

Temperatura de salida Calor
25 0
30 5000
35 10000
40 15000
45 20000
50 25000

b) Si fijamos la temperatura de salida por decir 40 oC y deseamos determinar la cantidad de calor necesario para diferentes caudales de entrada entre 800 y 1200 kg/h.

 

Modificamos el programa anterior para variar la masa de agua:

m=800:20:1200;
Q=m*1.0*(40-25);
disp(' Masa Calor')
disp([m',Q'])

Al ejecutar el programa tenemos el calor necesario para diferentes cantidades de masa y manteniendo constante la temperatura de salida:

Masa               Calor
800               12000
820               12300
840               12600
860               12900
880               13200
900               13500
920               13800
940               14100
960               14400
980               14700
1000             15000
1020             15300
1040             15600
1060             15900
1080             16200
1100             16500
1120             16800
1140             17100
1160             17400
1180             17700
1200             18000

 

 Para el caso b) del ejemplo anterior (Estado Estacionario) la variable controlada será la temperatura de salida la cual se ha fijado en 40 oC, así, si el flujo de entrada de agua fuese 1000 kg/h, se debe agregar qs a razón de 15000 kcal/h., asumiendo que el flujo de entrada de agua en algún momento, no sea constante, es necesario decidir que tanto debe ser cambiado el calor de entrada q desde qs para corregir cualquier desviación de T desde TR. Una solución podría ser colocar un operario del proceso, quien deberá ser responsable de controlar el proceso de calentamiento.

 

El operario deberá observar la temperatura en el tanque, presumiblemente con un elemento de medida tal como una termocupla, un termómetro o un sensor y comparar esta temperatura con TR, él deberá aumentar la entrada de calor y viceversa. A medida que él sea experimentado en esta tarea, sabrá cuanto cambiar q para cada situación. Sin embargo, esta tarea relativamente simple puede ser fácilmente y a menor costo ejecutada por una máquina. El uso de máquinas para este y similares propósitos es conocido como control automático de procesos.

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