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Curso Estrategias de Control Avanzadas

Como funciona una Estrategia de Control en Cascada? Definiciones y ejemplos

 diciembre 29, 2020

By  Jose Carlos Villajulca

Un sistema de control simple dibujado en forma de diagrama de bloques se ve así: 

control en cascada
  1. La información del dispositivo de medición (p. Ej., Transmisor) ingresa al ontrolador.
  2. La acción del controlador la envía al dispositivo o elemento final de control (p. Ej., Válvula de control), que influye en el proceso.
  3. Esta reacción del proceso nuevamente es detectada por el dispositivo de medición.

La tarea del controlador es inyectar la cantidad adecuada de retroalimentación negativa de modo que la variable del proceso se estabilice con el tiempo.

Este flujo de información o estructura se denomina normalmente lazo de control realimentado.

Control en Cascada

Consiste en conectar la señal de salida de un controlador al setpoint de otro controlador, con cada controlador detectando un aspecto diferente del mismo proceso.

El primer controlador (llamado primario o maestro) esencialmente «da órdenes» al segundo controlador (llamado secundario o esclavo) a través de una señal de setpoint remoto. 

Por lo tanto, un lazo de control en cascada consta de dos lazos de control realimentados, uno anidado dentro del otro :

Ejemplo de un control en Cascada

Un posicionador de válvula, que recibe un comando o señal de control desde un controlador y, a su vez, trabaja para garantizar que la posición del vástago de la válvula coincida exactamente con la señal de control enviada por el controlador.

La posición del vástago de la válvula de control es la variable de proceso (PV) para el posicionador, al igual que la señal de control es el setpoint del posicionador (SP).

Por lo tanto, los posicionadores de válvulas actúan como controladores «esclavos» de los controladores de proceso «maestros» que controlan:

La presión, la temperatura, el flujo o alguna otra variable del proceso.

El propósito principal es lograr una mayor estabilidad de la variable de proceso primaria regulando una variable de proceso secundaria de acuerdo con las necesidades de la primera.

Un esencial requisito del control en cascada es que la variable de proceso secundaria responda más rápido (tiempos muertos y retardos más cortos) que la variable de proceso primaria.

ANALOGÍA PARA ENTENDER UN CONTROL EN CASCADA

Una analogía para entender el control en cascada es la delegación en un entorno de trabajo.

Si un supervisor delega alguna tarea a un subordinado, y éste realiza la tarea sin más necesidad de orientación o asistencia del supervisor, el trabajo del supervisor se facilita.

El subordinado se encarga de todos los pequeños detalles que serían una carga para el supervisor, si el supervisor no tuviera a nadie en quien delegar.

Esta analogía indica claramente el porque la variable de proceso secundaria debe responder más rápido que la variable de proceso primaria:

  • La estructura supervisor-subordinado no funciona si el supervisor no mantiene el enfoque en las metas a largo plazo (a más largo plazo que el tiempo de finalización de las tareas asignadas a los subordinados).

Si un supervisor se enfoca en lograr metas a más corto plazo que el tiempo requerido para que los subordinados completen sus asignaciones, el supervisor inevitablemente pedirá “cambios de curso” que son demasiado rápidos para que los subordinados los ejecuten.

Esto hará que los subordinados se “retrasen” respecto a las órdenes del supervisor, y esto sería malo para la satisfacción de todos.

Control en Cascada: sistema de  secado

En el gráfico siguiente, se muestra un ejemplo de control en cascada para un sistema de  secado sistema donde se usa aire caliente para evaporar el agua de un sólido granulado.

La variable principal del proceso es la salida de aire del secador.

Esta debe mantenerse a una temperatura lo suficientemente alta como para garantizar que el agua no permanezca en las capas superiores del material sólido.

Esta temperatura de salida es bastante lenta para reaccionar, ya que la masa de material sólido crea un gran tiempo de retraso o “lag time”.

Hay varios parámetros que influyen en la temperatura del aire de salida además del contenido de humedad del material de secado.

Estos incluyen flujo de aire, temperatura del aire ambiente y variaciones en la temperatura del vapor.

Cada una de estas variables es una carga en la variable o “perturbación” del proceso que estamos tratando de controlar (temperatura del aire de salida).

Si alguno de estos parámetros cambia repentinamente, el efecto tardará en registrarse a la temperatura de salida, a pesar de que en la parte inferior del secador se tendría un impacto inmediato.

En consecuencia, el lazo de control tardaría en corregir cualquiera de estas cargas o “perturbaciones” cambiantes. 

Corrección necesaria para estas perturbaciones.

Para compensar mejor estas perturbaciones, instalamos un segundo transmisor de temperatura en el conducto de entrada de la secadora, con su propio controlador para ajustar el flujo de vapor a la orden del controlador primario:

Ahora, si alguna de las cargas relacionadas con el flujo de aire entrante o la temperatura varía, el controlador secundario (TC-1b) entonces:

  • Detectará inmediatamente el cambio en la temperatura de entrada del secador
  • Compensará ajustando el flujo de vapor a través del intercambiador de calor.

Por lo tanto, el lazo de control «esclavo» (1b) ayuda a estabilizar el lazo de control «maestro» (1a) al reaccionar a los cambios de carga mucho antes de que se manifieste algún efecto en la salida de la secadora.

Por supuesto, estas variables aún actúan como cargas o perturbaciones para el controlador esclavo, ya que debe ajustar continuamente la válvula de vapor para compensar los cambios en el:

  • flujo de aire
  • la temperatura del aire ambiente
  • la temperatura del vapor.

Sin embargo, siempre que el controlador esclavo haga un buen trabajo estabilizando la temperatura del aire que ingresa a la secadora, el controlador maestro nunca o casi nunca “verá” los efectos de esos cambios de carga.

La responsabilidad de la temperatura del aire entrante se ha delegado al controlador esclavo.

Como resultado, el controlador maestro está convenientemente aislado de las cargas que impactan en ese lazo.

Control en Cascada, requisitos de funcionamiento.

Uno de los requisitos no negociables para un control en cascada es que el lazo secundario (esclavo) debe responder más rápido que el lazo primario (maestro).

El control en cascada no puede funcionar si se invierte esta relación de velocidad.

El controlador de temperatura TC-1b puede ser esclavo del controlador TC-1a porque el tiempo de respuesta natural de la temperatura en la parte inferior de la secadora es mucho más corto que en la parte superior de la secadora con respecto a cualquier cambio en la posición de la válvula de vapor.

Es necesario para implementar el control en cascada es asegurar que el controlador secundario («esclavo») esté bien sintonizado antes de intentar sintonizar el controlador primario («maestro»).

El controlador esclavo no depende de una buena sintonía en el controlador maestro para controlar el lazo esclavo.

Si el controlador maestro se colocara en manual (desactivando efectivamente su respuesta automática), el controlador esclavo simplemente controlaría a un setpoint constante.

Sin embargo, el controlador maestro definitivamente depende de que el controlador esclavo esté bien sintonizado para cumplir con las «expectativas» del maestro. 

Si el controlador esclavo se pusiera en modo manual, el controlador maestro no podría ejercer ningún control sobre su variable de proceso. Entonces, claramente, la respuesta del controlador esclavo es esencial para que el controlador maestro pueda controlar su variable de proceso.

Por lo tanto, el controlador esclavo debe sintonizarse primero cuando comisionamiento o ponemos en servicio una estrategia de control en cascada.

Control en Cascada: modos de funcionamiento.

Al igual que los sistemas de control de supervisión donde un controlador de proceso recibe una señal de setpoint «remoto» algún otro sistema, el controlador secundario («esclavo») en un sistema en cascada suele tener tres modos de funcionamiento diferentes:

  • Modo manual: el controlador no realiza ninguna acción automática. Valor de salida del controlador es establecido por el operador.
  • Modo automático: el controlador ajusta automáticamente su salida para intentar mantener PV = SP. Valor del setpoint es establecido «localmente» por el operador.
  • Modo cascada: el controlador ajusta automáticamente su salida para tratar de mantener PV = SP. Valor del setpoint establecido «remotamente» por el controlador primario (maestro).

Esto significa que es posible anular una estrategia de control en cascada colocando el controlador secundario en el modo incorrecto (automático) del mismo modo que es posible anular cualquier lazo de control colocando el controlador en modo manual.

Si un controlador es «esclavo» de otro controlador, debe dejarse en modo cascada o “setpoint remoto” para que la estrategia de control funcione como se diseñó.

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Jose Carlos Villajulca


Soy un apasionado Ingeniero Electrónico con especialización en Automatización, Control e Instrumentacion Industrial. Me encanta aprender cada dia, y sobre todo compartir mis conocimientos con el resto del mundo.

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