INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALescuela superior de ingeniería química e industrias extractivas.

LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL.

MODO DE CONTROL EN CASCADA.

PROFESOR: DURÁN PRECIADO ALFONSO.

MODO DE CONTROL EN CASCADA.Uno de los métodos más utilizados para reducir al mínimo perturbaciones que entran en un proceso lento es el control en cascada o circuitos múltiples. El control en cascada puede acelerar también la respuesta del sistema de control, reduciendo la constante de tiempo de la función de transferencia del proceso que relaciona la variable manipulada con la salida del mismo.

El control en cascada se define como la configuración donde la salida de un controlador de realimentación (feedback) es el punto de ajuste para otro controlador de realimentación, por lo menos. Más exactamente, el control de cascada involucra sistemas de control de realimentación o circuitos que estén ordenados uno dentro del otro.

En la figura siguiente se ilustra un diagrama de bloques correspondiente a un sistema de control en cascada. En lugar de ajustar el elemento de control final, por ejemplo una válvula reguladora, la salida del controlador primario es el punto de ajuste del circuito de control secundario.

El circuito de control secundario que abarca sólo una porción del proceso total en un sistema de orden menor, de modo que el controlador se puede ajustar para dar una respuesta más rápida.

Como ejemplo tenemos la siguiente figura, en la misma se ha conectado en cascada un controlador de flujo con un controlador de temperatura.

Las constantes de tiempo del circuito primario son mucho más pequeñas que para el proceso total, de manera que el buen ajuste del controlador secundario elimina de un modo eficaz o reduce al mínimo, por lo menos, las perturbaciones de flujo que entran al proceso a través del abastecimiento de vapor.

La eliminación de una fuente de perturbaciones hace disminuir el orden y las constantes de tiempo del proceso: Estas reducciones aumentan la velocidad de la respuesta que se puede obtener en el circuito de control primario. También reducen el tamaño de las variaciones en la variable controlada, más allá de lo que seria posible incrementando la velocidad de respuesta del sistema de control primario.

Por lo común, hay tres características principales presentes en el control en cascada para que sea eficaz. La constante de tiempo del circuito cerrado del circuito secundario debe ser menor que un tercio de la constante de tiempo del circuito primario, el circuito secundario debe incluir una fuente de perturbación de proceso importante, y la variable de proceso que se regula debe ser capaz de desplazar a la variable controlada primaria a su valor deseado.

Existen dos propósitos para usar control cascada:

Eliminar el efecto de algunas perturbaciones. Mejorar la dinámica del lazo de control.

Ya que los cálculos son fáciles, el control cascada puede ser implementado con una gran variedad de equipo analógico y digital.

La combinación de fácil implementación y potencialmente gran rendimiento o mejora en el rendimiento del sistema a lazo cerrado ha permitido que el procedimiento de control en cascada se halle esparcido gradualmente.

El control en cascada usa una medida adicional de una variable del proceso para ayudar al sistema de control.

La selección de esta medida adicional, la cual está basada sobre información acerca de la perturbación más común y acerca de la respuesta dinámica del proceso, es critica en el éxito de este tipo de control. Por lo cual, el conocimiento de la operación y la dinámica del proceso es esencial para el diseño adecuado de este tipo de sistema de control.

Cuando usar control en cascada.

El control en cascada es efectivo si el lazo interno es más rápido que el lazo externo, si la perturbación principal afecta primero al lazo interno. Normalmente, un lazo de control en cascada no debería utilizarse si la constante de tiempo del lazo externo es por lo menos cuatro veces mayor que la constante de tiempo de lazo interno.

El control realimentado en su forma sencilla, provee un buen funcionamiento a lazo cerrado si la fracción de tiempo muerto es pequeña, perturbaciones son pequeñas y lentas, así como procesos con dinámica rápida, adicionalmente el segundo criterio requiere que la segunda variable pueda ser medida y agregué un costo aceptable o razonable.

Podemos entonces decir que los criterios para diseño son:

Control en cascada puede ser considerado:

Cuando el control realimentado simple no provee un desempeño satisfactorio a lazo cerrado.

La medida de la variable es disponible.

La variable secundaria debe satisfacer los siguientes criterios:

Debe indicar la ocurrencia de una importante perturbación. Debe haber una relación causal entre la variable manipulada y la segunda variable. La variable secundaria debe tener una dinámica más rápida que la variable primaria.

Ajuste del controlador.

El control en cascada puede usar el control estándar realimentado PID, lógicamente los modos deben ser seleccionados para cada controlador. El controlador del secundario debe tener el modo proporcional, pero no necesariamente requiere el modo integral, porque el objetivo completo del sistema de control es mantener la variable primaria en la referencia.

A pesar de esto la parte integral se agrega frecuentemente por dos razones. La primera, ya que un controlador proporcional produce offset, el lazo secundario debería tener parte integral si se quiere eliminar por completo el efecto de la perturbación, evitando que la perturbación se propague al primario. En segundo lugar, la cascada es frecuentemente operada en forma parcial con el control primario fuera de operación, por ejemplo, cuando el sensor primario esta fuera de servicio o esta siendo calibrado. En el lazo negativo de introducir modo integral en el controlador secundario es que este tiende a ser más oscilatorio; pero el resultado puede que no sea muy significativo cuando el lazo secundario es mucho más rápido que el lazo primario.

Los modos de control primarios son obtenidos a partir del PID, debe enfatizar que el modo integral es esencial para garantizar cero errores en condiciones estacionarias.