Sintonía Manual y Sintonía Adaptiva

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Control Automático II

UNIDAD II

SINTONÍA MANUAL Y ADAPTIVA Sintonizar un controlador, como es sabido, es elegir adecuadamente sus parámetros de control en función de las características de un determinado proceso. Para lograr este objetivo se tienen en primer lugar los métodos tradicionales (manuales), dentro de los cuales existen a su vez métodos matemáticos y empíricos. Siendo ya conocidos éstos últimos (un análisis matemático para la sintonía no es parte de este curso), incluiremos tan solo algunas consideraciones que nos ayudarán a manejar tanto situaciones conocidas como algunas especiales. Finalmente revisaremos las posibilidades de la sintonía adoptiva como alternativa a la sintonía manual. 1. CRITERIOS DE RENDIMIENTO Una consideración que debe ser tomada en cuenta en el proceso de sintonía de un controlador es tener un criterio de d e rendimiento aceptable o dicho en otras palabras alguna forma de saber si el proceso “tiende aceptablemente” hacia su estabilidad, como respuesta a una perturbación. Uno muy conocido es el d el “cuarto de figura 1. Este criterio establece que si un lazo está oscilando, cada decaimiento” figura

desviación pico de la señal de la variable controlada debería ser solamente la cuarta parte de la anterior en el mismo lado con respecto al set point. Esto es equivalente a decir que en cada medio ciclo, la amplitud de la desviación debería ser reducida en un medio, haciendo que la disminución total sea de un cuarto del ciclo completo.

A

B

B=1 A 4

Figura 1 Cuarto de decaimiento

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Para muchas aplicaciones, el criterio del cuarto de decaimiento provee un amortiguamiento aceptable de las oscilaciones que siguen al cambio del set point o a un cambio de carga. Intuitivamente, un lazo que exhibe el cuarto de decaimiento aparenta estar bien sintonizado. Para otras aplicaciones, éste puede ser demasiado oscilatorio. Aún es situaciones en donde el cuarto de decaimiento es aceptable, ésta relación sola no es una especificación completa de rendimiento. Para un proceso dado, dos diferentes combinaciones de los parámetros de sintonía pueden producir ambas el cuarto de decaimiento, aún cuando el periodo de oscilación puede ser muy diferente entre uno y otro. Para ser más precisos, uno incluso podría especificar si la respuesta del cuarto de decaimiento lo es ante un cambio del set point o a un cambio de carga. Muy frecuentemente, un lazo de control que es sintonizado para el cuarto de decaimiento como respuesta a un cambio en el set point exhibirá una respuesta algo más lenta a un cambio de carga. Por otro lado, si el lazo está sintonizado para el cuarto de decaimiento como respuesta a una cambio de carga, podría ser muy oscilatorio para un cambio en el set point. Debido a que los cambios del set point se pueden hacer más fácilmente que los cambios de carga, la mayoría de los lazos son sintonizados para dar una respuesta aceptable a cambios en el set point; aceptándose entonces la respuesta a un cambio de carga aún cuando no sea la mejor. En muchos casos, el ingeniero o técnico responsable del proceso podría estar dispuesto a aceptar una respuesta más lenta para minimizar los sobrepicos que siguen a un cambio del set point, pudiendo a menudo preferir lazos críticamente amortiguados para evitar los sobrepicos. En suma, lo que representa una buena sintonía es a menudo un tema subjetivo que puede variar de una aplicación a otra así como de una persona a otra, quien esté sintonizando el lazo. Se pueden usar criterios más formales; éstos están basados en la minimización de la integral de alguna función del error o desviación. Los siguientes son criterios que se pueden considerar: 

Integral del valor absoluto del error (IAE): IAE = ∫ IeI dt



Integral del cuadrado del error (ISE): ISE = ∫ e2 dt



Integral del tiempo por el valor absoluto del error (ITAE): ITAE = ∫ t IeI dt



Integral del tiempo por el cuadrado del error (ITSE): ITSE = ∫ te2 dt

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Nótese que la simple integral del error no es un criterio válido, desde que la integración de un error positivo podría ser cancelado medio ciclo después por la integración del error negativo. Por lo tanto, los criterios anteriores evitan esto sea tomando el valor absoluto del error o su cuadrado. La minimización de cada uno de estos criterios formales puede dar lugar a diferentes respuestas. Por ejemplo, si se usa el criterio ISE, se paga una penalidad creciente a medida que la magnitud del error crece. Por lo tanto, para un lazo dado, el criterio ISE resultará en un valor menor de la desviación máxima que el criterio IAE pero podría causar una mayor persistencia de la oscilación. El raciocinio para los otros dos criterios es que a más tiempo permanezca el error luego de un cambio del set point o un cambio de carga, se pagará una penalidad mayor. Por lo tanto, el criterio ITAE permitirá una desviación inicial mayor que el criterio IAE, pero forzará a la oscilación a desaparecer más pronto. Los criterios formales como éstos son útiles para estudios teóricos y de simulación de control y para dar una mayor visión interna del proceso de sintonía; sin embargo, son raramente usados en aplicaciones reales. 2. SINTONÍA MANUAL La mayoría de los lazos son sintonizados manualmente siguiendo una técnica experimental, siendo muy común la técnica de “sintonía al tanteo”. Aún aquellos

lazos en los cuales la sintonía inicial es determinada por una técnica más formal tal como la de lazo abierto (también conocida como de curva de reacción) o la de lazo cerrado (o de sensibilidad límite), un ajuste fino al tanteo se hace necesario finalmente. Este último método, tambi én conocido como “prueba y error”, requiere observar la respuesta del lazo a un evento anterior, ya sea a un cambio del set point o a un cambio de carga. No vamos a explicar detenidamente estos tres métodos por ser ya conocidos y más bien daremos a continuación algunas consideraciones adicionales para las técnicas formales. Adicionalmente, se discutirán las formas de sintonizar lazos en situaciones especiales. 2.1 CONSIDERACIONES PARA LA SINTONÍA EN LAZO ABIERTO Como se sabe, este método también conocido como método de la curva de reacción, consiste colocar el controlador en manual y ajustar la salida del controlador hasta que la variable medida esté cerca de su punto de operación normal. Entonces se cambia la salida del controlador en forma de escalón y de la respuesta del proceso a esta acción se obtienen los parámetros K p , TD (tiempo muerto) yτ(constante de tiempo del proceso) figura 2. Recordemos que K p es la ganancia del proceso: K p = Δ Meas / Δ Valve.

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Figura 2 Método para lazo abierto   

TD y TD+τ están en minutos. Δ Valve es el % de variación de la salida del controlador. Δ Meas es el cambio total de la variable medida.

Controlador

Ganancia K c

Integrativo T ,i min/ rep

Derivativo Td , minutos

P

_ τ _ K pTD

-----

-----

PI

0,9τ K pTD

3,33 TD

-----

PID

1,2τ K pTD

2,0 TD

0,5 TD

Tabla 1 Cálculos para el método en lazo abierto

Debido a que en la mayoría de los procesos auto-regulados, la respuesta de un cambio en escalón proveniente del controlador es una curva en forma de S que inicialmente crece gradualmente, luego más rápidamente, seguida de un crecimiento gradual hacia el equilibrio, este tipo de respuesta del proceso se puede usualmente aproximar a un modelo de retardo de primer orden más tiempo muerto.

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El éxito de este método depende de varios factores, incluyendo que tan bien un modelo de retardo de primer orden más tiempo muerto se asemeje a la respuesta real del proceso y que tan precisamente se determinen los parámetros del modelo. El tamaño del escalón en la salida del controlador dependerá de las condiciones locales. Un escalón grande (digamos del 10%) es deseable para distinguir claramente la curva de respuesta del ruido producto de la medición o de otros disturbios. Por otro lado, se requiere del un cambio menor (digamos del 5% o menos), debido a la necesidad de evitar mayor disturbio al proceso. Con respecto a la tangente a la curva, podríamos tener dificultades para trazarla en forma precisa; por lo tanto, podría haber alguna incertidumbre en el valor del aparente tiempo muerto. Si es así, deberíamos usar un valor grande en lugar de uno pequeño. Si examinamos la tabla 1 vemos que si usamos un valor pequeño de tiempo muerto se obtendrá un valor mayor de la ganancia de proceso y un tiempo integrativo más corto, siendo tales los efectos de ambos que tenderían a producir oscilaciones o inestabilidad en el lazo de control. Por otro lado, el uso de un tiempo muerto grande resultará en una ganancia más baja y un tiempo integrativo más largo; éstos serían ajustes más conservadores para la sintonía. Otra consideración práctica tiene que ver con el cálculo del 63,2% del valor total de la variable medida. Podría no ser fácil calcularlo si se registra en un equipo ordinario, sea un registrador o en la pantalla de un monitor de computadora. Por lo tanto, es permisible la aproximación de 2/ 3 en lugar de 63,2%. La pérdida de precisión no es significativa. Si se quiere aproximar algo más al valor preciso, se puede tomar el 90% al valor obtenido con la aproximación de 2/ 3. Otros métodos para estimar el tiempo muerto y la constante de tiempo sin tener que trazar la tangente se describen en la figura 3. El uso de la tabla 1 debiera estar limitado a situaciones en las que la razón del aparente tiempo muerto a la constante de tiempo aparente está entre 0,1 y 1,0. Esto cubre la mayoría de las aplicaciones reales. Si se usa un valor para el tiempo muerto menor a un décimo de la constante de tiempo, las ecuaciones de la tabla 1 producirán una ganancia del controlador excesivamente alta. Por lo tanto, se recomienda que la relación mínima entre estos dos parámetros sea de 0,1. Si el tiempo muerto es más largo que la constante de tiempo, es aconsejable usar alguna otra forma de control, tal como un algoritmo de compensación del tiempo muerto. Esta discusión de la sintonía por el método de lazo abierto ha sido enfocada para procesos auto-regulados. Un proceso integrativo, tal como control de nivel, no puede ser aproximado por un modelo de retardo de primer orden más tiempo muerto, desde que nunca llega el equilibrio. Más adelante veremos las consideraciones respectivas a este caso. 21


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Figura 3 Otros métodos de aproximación para lazo abierto

2.2. CONSIDERACIONES PARA LA SINTONÍA EN LAZO CERRADO Tal como se conoce, este método permite calcular los tres términos de ajuste del controlador a partir de los datos obtenidos en una prueba rápida de características de lazo cerrado del control. El objetivo inicial es lograr que el proceso oscile de modo continuo y con amplitud constante. Se obtiene así un valor de la ganancia denominada ganancia límite (K cu) y el periodo del ciclo de las oscilaciones Pu en minutos. Los ajustes de control que conducirán a la respuesta siguiendo el criterio del cuarto de decaimiento se calculan como sigue; tabla 2.

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Controlador

Ganancia K c

Integrativo T ,i min/ rep

Derivativo Td , minutos

P

0,5 K cu

-----

-----

PI

0,45 K cu

Pu 2

-----

PID

0,6 K cu

Pu 2

Pu 8

Tabla 2 Cálculos para el método en lazo cerrado

Como se ha mencionado, una vez calculados los parámetros e introducidos en el controlador, se deberá comprobar sus efectos sobre el proceso en particular. Lo más probable es que se requieran ajustes finos al tanteo, a partir de los valores ya establecidos. La mecánica para la prueba en lazo cerrado es relativamente fácil de describir. Sin embargo, podría no ser tan fácil implementar este método en la práctica por diversas razones: 

 



Es difícil controlar la amplitud de la oscilación. Una amplitud grande no es requerida; en efecto, debe ser solo lo suficientemente grande para distinguir la oscilación de control de la banda ruidosa de la variable medida. Aún así, un cambio pequeño del set point podría ocasionar una amplitud de oscilación más grande de la esperada. Para varias aplicaciones, una oscilación sostenida puede no ser tolerada. Muchos instrumentistas pueden objetar una oscilación sostenida, aunque la prueba sea realizada para obtener mejores ajustes de sintonía. Se podrían requerir varias pruebas para obtener una oscilación sostenida, requiriendo para tal efecto periodos largos de prueba y por lo tanto mayores tiempos de producción fuera de especificaciones.

A pesar de estas desventajas, éste método tiene las siguientes ventajas sobre el de lazo abierto: 

El método de lazo cerrado, no asume a priori ninguna forma de modelo del proceso. No se fuerza al mismo a parecerse a un retardo de primer orden más tiempo muerto.

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

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La información obtenida de la prueba en lazo cerrado (por lo tanto, la calidad de los parámetros de sintonía producidos), son mucho mayores al utilizar este método que al usar el de lazo abierto. Esto se debe a que la frecuencia (o periodo) puede ser medido más precisamente, mientras que el tiempo muerto y la constante de tiempo pueden ser solamente aproximados.

En un intento para obtener ventajas de ambos tipos de sintonía, podemos seguir el siguiente método de compromiso: 



Inicie como si fuese a hacer una prueba en lazo cerrado, es decir sin acción integrativa ni derivativa, baja ganancia y con el controlador en automático. Continúe haciendo pruebas en escalón, con ganancias cada vez más altas, hasta conseguir el cuarto de decaimiento. Debería lograrse una estabilización en un nivel alrededor del punto medio de las oscilaciones, no necesariamente en el set point, desde que no hay acción integrativa y por lo tanto existiría un offset. Anote el periodo durante el que se logra el cuarto de decaimiento (Pq). Si fuésemos a continuar con la prueba hasta alcanzar una oscilación sostenida, el periodo límite podría no ser apreciablemente más corto que Pq. De aquí, de los datos que tenemos, podemos estimar Pu como: Pu (est) = 0,9 P q



Anote la ganancia Kpq que produce el cuarto de decaimiento. Si fuésemos a continuar con la prueba hasta alcanzar la oscilación sostenida, la ganancia límite sería considerablemente mayor que Kpq, pero con una relación predecible. Usualmente, estaría entre 1,6 y 1,75 veces Kpq. De aquí, podemos estimar Kpu de la siguiente regla práctica: K pu (est) = 1,67 K pq



Una vez que tenemos las estimaciones de Kpq y Pu, usamos la tabla 2 para determinar los parámetros de sintonía para los modos de control elegidos. Los parámetros de sintonía del controlador, tendrán probablemente un error no mayor al 5% de los valores que podríamos determinar si hubiésemos continuado con la prueba de la oscilación sostenida.

2.3. OPTIMIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS EXISTENTES A menudo un instrumentista debe mejorar los parámetros de un lazo que ya está operando. Usualmente esto se debe a que el lazo está oscilando inaceptablemente o existe una lentitud en la respuesta del lazo para regresar al set point, particularmente después de un cambio de carga. La tarea del instrumentista es mejorar la sintonía “encontrada” tan rápidamente como

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sea posible (con la mínima cantidad de pruebas) sin utilizar los métodos de lazo abierto o lazo cerrado. Si el lazo está oscilando inaceptablemente, sabemos que las oscilaciones pueden deberse a una ganancia muy alta o a una acción integrativa muy rápida o a ambas. Nótese que podemos siempre reducir la ganancia y desaparecer la oscilación. Si el lazo está yendo fuera de control (aumenta la amplitud de la oscilación), probablemente sea ésta la acción correcta a realizar inmediatamente, pero podría no ser la solución para todo el rango. Podría ser que la causa de la oscilación sea que la acción integrativa sea muy rápida. Si la oscilación aparenta ser aceptable (oscila a un cuarto de decaimiento o menos), tendríamos que asegurarnos si el lazo ha sido bien sintonizado. Es posible que la acción integral sea muy rápida (un efecto desestabilizador) y solamente esté compensada por una ganancia muy baja (un efecto estabilizador). En esta situación, bajo un el efecto de un disturbio, la lentitud del lazo causará que la variable de proceso permanezca fuera del set point por mucho tiempo. Para un controlador PI, podemos determinar si el valor de la acción integrativa es correcto o no, comparando el tiempo del integrativo, en minutos por repetición, con el periodo de oscilación. Si el valor es aproximadamente correcto, la siguiente relación debiera darse: 1,5 Ti ≤ P ≤ 2,0 Ti Este rango se basa en el tiempo del integrativo existente. Si el periodo es mayor que lo que el rango permite, la indicación es que el tiempo integrativo existente es muy rápido. Reajustemos éste entre 1/ 2 y 2/ 3 del valor actual. Ésta será una acción estabilizadora; así, la ganancia puede incluso aumentarse, siempre y cuando el lazo no sea oscilatorio en ese momento. Si el periodo es más corto que lo que el rango permite, la indicación es que la acción integrativa podría ser más rápida. Durante un cambio de carga, probablemente nos desviaríamos mucho a un lado del set point. Reajustemos el tiempo integrativo entre 1/ 2 y 2/ 3 del valor actual del periodo, para allí reevaluar la respuesta. Si también se usa el modo derivativo, es menos claro delimitar el rango. Con poca acción derivativa, los límites no diferirán mucho de los anteriores. Con una significativa acción derivativa (hasta 1/ 4 del tiempo integrativo) y con un correspondiente aumento de la ganancia del controlador y disminución de su tiempo integrativo, el periodo disminuirá ligeramente. Por lo tanto, los siguientes límites aparecerían como razonables al usar el derivativo: 2 Ti ≤ P ≤ 3,33 Ti En ambas ecuaciones, se debe tomar en cuenta que los límites no son estrictos y que éstas son reglas prácticas que tienen alguna base teórica y 25


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que deberían trabajar en la mayoría de las situaciones. Sin lugar a dudas habrán casos en las que no se podrán aplicar. 2.4. CASO EN EL QUE NO SE PUEDE DETERMINAR LA GANANCIA DEL PROCESO Para la aplicación del método de sintonía de lazo abierto hemos asumido que la prueba se inicia con el proceso en la condición de equilibrio y continúa hasta que el proceso alcance un nuevo equilibrio. De este modo se puede calcular la ganancia del proceso (K p). Hay ocasiones en las que el proceso no alcanza un nuevo equilibrio. Tal es el caso de los procesos integrativos, a menudo encontrados en lazos de control de nivel. En otras situaciones, el proceso no es verdaderamente integrativo, pero el valor del nuevo equilibrio que podría ser alcanzado está fuera de la región de operación del proceso. En este caso no se puede determinar el valor de la ganancia del proceso. Sin embargo, utilizando un análisis gráfico se puede obtener la suficiente información que nos permita determinar los valores de sintonía del controlador. Para esto, vamos a aplicar el método de la tangente a la curva ya estudiado. Si se tiene datos de la respuesta del proceso para solamente una parte del camino hacia el equilibrio, se traza una tangente al punto de inflexión de la curva y se extiende ésta hasta la línea vertical que representa el escalón dado por la salida del controlador, como se ve en la figura 4.

Δ Meas

TD

Parte desconocida de la respuesta τ

y

Δ Valve

Figura 4 Estimación de la ganancia del proceso

Se anota el valor de la distancia “y” como se observa en la figura. Si completamos gráficamente la curva de respuesta (ver líneas punteadas), entonces por semejanza de triángulos tendríamos: 26

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TD

y

= Δ Meas τ

Pero Δ Meas = K p x Δ Valve. Haciendo esta sustitución y despejando, resulta: K p TD τ

=

y y Δ Valve

Así, según la tabla 1, podemos conocer el valor de la ganancia del controlador. El tiempo muerto obtenido del gráfico anterior, nos permite calcular los otros parámetros de control si fuesen necesarios. 2.5 PROCESOS INTEGRATIVOS CONTROL DE NIVEL –

Normalmente a diferencia de los procesos auto-regulados, para el caso de los procesos no auto-regulados (integrativos), hay poca información acerca de técnicas para sintonizarlos. Las razones pudieran ser las siguientes: 





En teoría, un proceso integrativo libre de ruido, podría ser controlado con un controlador P con una alta ganancia y con una pequeña desviación con respecto al set point. En la práctica sin embargo, esto podría ser difícil de lograr. Para muchas aplicaciones, el control de nivel de líquidos no es crítico. Si la aplicación es para control de nivel en un tanque de almacenamiento entre dos unidades de proceso, el flujo de salida es probablemente la alimentación hacia la unidad aguas abajo. Es usualmente preferible tolerar alguna fluctuación en el nivel y mantener un flujo relativamente constante hacia la unidad aguas abajo en vez de tener un control de nivel preciso con un flujo variable. Muchos fabricantes de sistemas digitales de control proveen un algoritmo especial no lineal para el control de nivel de líquido. Para estos algoritmos, las reglas de sintonía tradicionales no son aplicables.

Teóricamente no hay un límite superior para el valor de la ganancia de un controlador P aplicado a un proceso integrativo y particularmente al control de nivel. Sin embargo, debido a la presencia de ruido típico en estos casos, habrá un límite práctico para el valor de la ganancia mencionada. Aún así, muchos lazos de nivel son satisfactoriamente controlados con una ganancia del controlador tan alta como 10 ó 20. Con una ganancia tan alta, cualquier ruido de medición presente causará una excesiva acción de la válvula. Por lo tanto, la ganancia debiera ser reducida a favor del uso de la acción integrativa en el controlador. Si se confía demasiado en la acción integrativa, se corre el riesgo de que, como tanto el controlador como el proceso tienen características integrativas y 27


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por lo tanto se tengan dos integradores en serie, el proceso vaya a una condición oscilante. Por lo tanto es preferible en la práctica colocar una ganancia tan alta como se pueda para eliminar el offset y no requerir la acción integrativa para este fin. Debido a que muchos lazos de nivel no son críticos, es posible en ellos tolerar la fluctuación, incluso el offset, si el líquido fluye suavemente hacia la unidad de proceso aguas abajo. Esto se puede lograr reduciendo la ganancia del controlador. Esta técnica es conocida como control promedio de nivel, desde que mantiene el promedio en el largo plazo del nivel al valor del set point. Para algunas aplicaciones críticas puede ser posible añadir la acción derivativa al controlador. 3. SINTONÍA ADAPTIVA La función básica de un sistema realimentado de control es mantener la variable de procesos al set point, aún en la presencia de cambios de carga o por incertidumbres en las características del proceso. Este control trabaja bien si los parámetros del controlador han sido adecuadamente elegidos y ajustados a las características del proceso. Cuando los disturbios señalados son grandes, la respuesta del controlador puede ser inaceptable y probablemente la situación obligue a cambios rápidos y frecuentes de sus parámetros. Es aquí en donde cobra importancia el empleo de un controlador cuyos parámetros de sintonía se adapten a las nuevas situaciones sin la intervención directa del operador. Un controlador adaptivo se puede definir entonces como uno que posee un mecanismo para implementar una sintonía automática continua de los parámetros del mismo. Actualmente muchos fabricantes de controladores ofrecen algún tipo de sintonía adaptiva en sus equipos: sintonía programada, sintonía por demanda o auto-sintonía y sintonía en línea. 3.1 SINTONÍA PROGRAMADA A menudo conocida como ganancia programada (gain scheduling), cambia uno o más parámetros de control en la medida que lo hacen las condiciones del proceso o los puntos de operación del mismo. El algoritmo de control recibe una señal externa que representa la ganancia del controlador, siendo responsabilidad del usuario, ingresar el valor correcto de la ganancia del controlador, sea a través de una tabla o un programa escrito por él. Una extensión simple de este concepto permite definir los tres parámetros de control (ganancia, tiempo del integrativo y tiempo del derivativo) por acción de una señal externa. En una tabla se tienen juegos de valores de estos parámetros, adecuados a diferentes rangos o regiones de operación, un ejemplo se muestra en la tabla 3. El usuario designa la variable que define que juego de valores se va a usar. Esta variable podría ser el set point, la variable de proceso, el error, la salida del controlador o alguna otra variable no directamente relacionada con el proceso. Cuando la variable está

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dentro de la región definida por límites especificados, los parámetros relacionados son ingresados al controlador. Región

Rango

Ganancia

Reset

Derivativo

1

0 – 30%

G1

R1

D1

2

30 – 70%

G2

R2

D2

3

70 – 100%

G3

R3

D3

Tabla 3 Ejemplo de una tabla para sintonía programada

Básicamente este algoritmo es una automatización del tradicional ingreso manual de parámetros de sintonía predeterminados, de acuerdo a puntos de operación del proceso. 3.2 AUTO-SINTONÍA Esta forma de sintonía adaptiva, automatiza el uso del método de la curva de reacción para la sintonía de un controlador. En su forma más simple, el controlador utiliza los parámetros de sintonía existentes hasta que se entrega una orden, tal como presionar un botón etiquetado como “ tune”, para determinar los nuevos parámetros de sintonía. Entonces, se lleva a cabo automáticamente el siguiente procedimiento: 









El controlador se coloca en “manual”.

La salida del controlador es variada en una cierta cantidad (la cantidad no es usualmente preprogramada, pero es establecida por el usuario como un parámetro de configuración). Se observa la respuesta al cambio en escalón. Los datos serán muestreados y almacenados hasta observar la respuesta completa. Algún tipo de análisis numérico será realizado en los datos observados en la respuesta, para determinar un modelo matemático aproximado del proceso; éste podría ser tan simple como un retardo de primer orden más tiempo muerto. Una vez que los parámetros del proceso han sido determinados, se utiliza algún tipo de ecuaciones correlativas para determinar tentativamente valores de los parámetros de sintonía del controlador. Estas ecuaciones podrían ser las de Ziegler – Nichols.

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

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Los valores tentativos de sintonía son visualizados para ser confirmados. Si son confirmados, éstos son insertados en el algoritmo de control.

Los problemas que se tienen con este método son: 







Los datos de la prueba pueden ser alterados por ruido. Podría haber un disturbio de carga a medio camino entre la respuesta que reemplaza a la respuesta al cambio en escalón de la salida del controlador. La forma elegida para el modelo aproximado del proceso puede no ser la mejor. El método podría ser muy sensible a errores en la determinación del tiempo muerto del proceso, justo como lo era el procedimiento manual de sintonía de lazo abierto.

Debido a estos problemas, el requerimiento de confirmación permite una decisión humana antes de aplicar los parámetros calculados en el algoritmo de control. Sin embargo, las ventajas de esta técnica son su simplicidad y la poca experiencia necesaria por parte del operador. 3.3 SINTONÍA EN LÍNEA Más conocida como “ self tuning”, es una técnica en la cual un programa auxiliar en el controlador, evalúa automáticamente el comportamiento en lazo cerrado y calcula y modifica los parámetros de sintonía cada vez que sea necesario. En algunos casos, se usa para esto una técnica de reconocimiento de patrones, en otros, un procedimiento matemático más formal. –

Las técnicas utilizadas en controladores con esta característica distinguen dos tipos: sintonía en línea directa o sintonía en línea indirecta. En el primer caso, el controlador mide el rendimiento de control directamente de los datos de entrada y salida. En el segundo, primero se identifica un modelo del proceso por parte del bloque de estimación de parámetros; este modelo es luego usado por el bloque de diseño para calcular los parámetros del controlador que obtengan cierto rendimiento previamente especificado. Un criterio importante que se asume normalmente para lograr los algoritmos en forma sencilla, es que el modelo del proceso es lineal y sus parámetros son constantes pero desconocidos. En la práctica esto es válido, si las perturbaciones de entrada y de salida de sus valores en el estado estable son pequeñas y la variación de sus parámetros de proceso es lenta en comparación con el tiempo de adaptación o de estimación de los parámetros. De no ser así, se llevará al proceso hacia la inestabilidad o hacia transitorios pobres durante la respuesta de adaptación.

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Para comprender la forma como se estructura un controlador adaptivo, recordemos que para sintonizar manualmente un controlador, podría usarse el método de la curva de reacción, en la cual se requiere encontrar la ganancia, constante de tiempo y tiempo muerto. Este proceso se denomina de identificación del sistema. De ésta información, se calculan los parámetros del controlador. Esta parte de llama diseño del controlador. Si las características del proceso antes mencionadas cambian en el tiempo, los pasos de identificación y diseño deberán ser repetidos varias veces para mantener al controlador sintonizado. La sintonía en línea es la automatización de este procedimiento. A medida que los parámetros del proceso cambian en el tiempo, la información acerca del proceso es actualizada a través de la identificación y los parámetros del controlador son recalculados constantemente, trabajando siempre en lazo cerrado. En esta técnica, desde que los pasos de identificación y diseño son ejecutados automáticamente por el algoritmo de self –tuning, cualquier posible situación debe ser cubierta por el mismo. Por lo tanto, es importante tener una lógica de supervisión para encargarse de estas situaciones. Aún en controladores convencionales, tal lógica es necesaria. Sin embargo, los sistemas de sintonía en línea son más complejos, automatizando la mayor parte del trabajo hecho por los ingenieros y técnicos de control y los operadores y por lo tanto obligando a mayores exigencias a la lógica de supervisión. En la figura 5 se tiene un diagrama en bloques de los componentes importantes de un controlador con sintonía en línea indirecta: Supervisión

Cálculo de Diseño

Estimación de Parámetros

Controlador

Proceso

Figura 5 Componentes de un controlador self tuning –

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Algunos controladores realizan el proceso sintonía en línea solamente cuando hay un cambio en el set point o ante un cambio de carga. El usuario debería tener las siguientes elecciones: 

Deshabilitar la adaptación completamente.



Habilitar la adaptación para cambios en el set point solamente.



Habilitar la adaptación tanto para cambios del set point como para cambios de carga.

El usuario podría también introducir el valor mínimo del cambio del set point que activará la adaptación (ejm. 5%). Si el valor no es suministrado, podría ser usado un valor de 2 a 3 veces la amplitud estimada del ruido. Dependiendo del diseño del controlador self –tuning, ciertos parámetros podrían ser requeridos por el usuario tales como el intervalo de muestreo, una estimación de l tiempo muerto del proceso, el orden del modelo, etc. Finalmente, el usuario podría especificar ciertos modos en el controlador self –tuning: 

Modo “Auto”: la sintonía en línea está activada. Los parámetros del

controlador son actualizados automáticamente. 

Modo de “Monitoreo”: en este modo, el modelo computado del proceso

y los parámetros calculados del controlador solamente son visualizados; lo parámetros reales del controlador no se cambian. Este modo es útil para validar la función self – tuning o para chequear las variaciones de las dinámicas de la planta durante la operación. 

Modo de “Pre–sintonía (Pre –tune)”:

es usado para inicializar los

parámetros del modelo del proceso y del controlador en el arranque, si el operador no pudiese suministrar ninguna información al controlador. 

Modo

de

“Autosintonía

(Auto–tuning)”:

la

sintonía

se

hace

automáticamente cuando lo decide el usuario. La sintonía es desconectada después de ser completada.

Vale la pena mencionar que debido a su robustez y simplicidad, es recomendable en principio pensar en utilizar la auto - sintonía antes que la adaptación continua, aún cuando la dinámica del proceso no sea predecible; esto siempre y cuando sea adecuada para la situación. Un número creciente de lazos son actualmente manejados con controladores adaptivos, siendo la mayoría de ellos del tipo auto –tuning. En algunos casos especiales, tal vez será necesario utilizar una combinación de alguna técnica de sintonía adaptiva en lazo abierto con otra en lazo cerrado. Comercialmente, la mayoría de los fabricantes de controladores de última generación, incluyen algún producto que cuenta con alguna herramienta de sintonía adaptiva, ejemplo en la figura 6. 32

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Figura 6 Controlador con sintonía adaptiva (cortesía de Honeywell)

La figura 7 da una idea del camino que debemos seguir para elegir el tipo de sintonía adaptiva y en general el tipo de estrategia adaptiva de control, en función de la dinámica del proceso y de las variaciones de los parámetros del mismo.

Dinámica del proceso

Relativamente constante

Variable

Use un controlador con parámetros variables

Use un controlador con parámetros constantes (aplique auto –sintonía para arranques o cuando sea necesario) Variaciones predecibles

Variaciones impredecibles

Use sintonía programada (aplique auto –sintonía para obtener los parámetros) o –tuning self

Use un controlador con self – tuning

Figura 7 Selección de estrategias adaptivas de control

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ANOTACIONES: ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………

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Sintonía Manual y Sintonía Adaptiva

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