El control automático ha jugado un papel vital en el avance de la ciencia y de la ingeniería, constituyéndose parte integral e importante de los procesos industriales y de manufactura modernos, resultando esencial en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad y viscosidad, y flujo en las industrias de transformación.
Los procesos se controlan con mayor precisión para dar productos más uniformes y de más alta calidad, mediante la aplicación del control automático, lo cual con frecuencia representa mayores ganancias. El control automático también tiene grandes ventajas con ciertas operaciones remotas, peligrosas y rutinarias.
Puesto que el beneficio del proceso es por lo común la ventaja más importante que se busca al aplicar el control automático, la calidad del control y su costo se deben comparar con los beneficios económicos y técnicos esperados del proceso.
El primer trabajo significativo en control automático fue el regulador centrífugo de James Watt para el control de velocidad de una máquina de vapor, en el siglo dieciocho. En 1922 Minorsky uso las ecuaciones diferenciales que describen al sistema para demostrar la estabilidad del mismo. En 1932 Nyquist desarrolló un procedimiento para determinar la estabilidad de los sistemas de lazo cerrado sobre la base de la respuesta de lazo abierto con excitación sinusoidal en régimen permanente. En 1934 Hazen introdujo el término de servomecanismos y desarrolló el diseño de los mismos.
Durante la década de los cuarenta, los métodos de respuesta en frecuencia posibilitaron el diseño de sistemas lineales de control de lazo cerrado. De fines de los cuarenta a principios de los cincuenta, Evans desarrolló por completo el método del lugar de las raíces.
Los métodos de respuesta de frecuencia y del lugar de las raíces, que son el corazón de la Teoría Clásica de Control, llevan a sistemas que son estables y que satisfacen un conjunto de requerimientos de funcionamiento mas o menos arbitrarios. Tales sistemas son, en general, aceptables pero no óptimos. Desde fines de los cincuenta, el énfasis en problemas de diseño de sistemas de control se desplazó al diseño de un sistema óptimo.
Como las plantas modernas con muchas entradas y salidas, se van haciendo más y más complejas, la descripción de un sistema moderno de control requiere una gran cantidad de ecuaciones. La teoría de control clásica, que trata de sistemas con una entrada y una salida, se vuelve absolutamente impotente ante sistemas de múltiples entradas y salidas. Hacia 1960, gracias a la disponibilidad de las computadoras digitales, se hizo posible el análisis de sistemas complejos en el dominio del tiempo; desde entonces se ha desarrollado la Teoría de Control Moderna, basada en el análisis y síntesis en el dominio del tiempo, utilizando variables de estado, con lo que se posibilita afrontar la complejidad creciente de las plantas modernas y los estrictos requisitos de exactitud, peso y costo.
Los desarrollos más recientes en la teoría de control moderna están en el campo del control óptimo de sistemas, tanto determinísticos como estocásticos, así como en sistemas de control complejos con adaptación y aprendizaje. Las aplicaciones más recientes de la teoría de control moderna incluyen sistemas no ingenie riles como los de biología, biomedicina, economía y socioeconomía.
1.1 DEFINICIONES
Planta. Una planta es un equipo, quizá simplemente un juego de piezas de una máquina, funcionando conjuntamente, cuyo objetivo es realizar una operación determinada. En este libro llamaremos planta a cualquier objeto físico que deba controlarse (como un horno de calentamiento, un reactor químico o columna de destilación)
Proceso. El diccionario Merrian-Webster define proceso como una operación o desarrollo natural, caracterizado por una serie de cambios graduales, progresivamente continuos, que se suceden uno a otro de un modo relativamente fijo, y que tienden a un determinado resultado o final; o a una operación voluntaria o artificial progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos dirigidos sistemáticamente hacia determinado resultado o fin. En este libro se denomina proceso a cualquier operación que deba controlarse. Ejemplos de ellos son los procesos químicos, económicos y biológicos.
Sistemas. Es la combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumple determinado objetivo. Un sistema no está limitado a objetivos físicos. El concepto de sistema puede aplicarse a fenómenos dinámicos abstractos, como los que se encuentran en economía. Por tanto, el término sistema hay que interpretarlo como referido a sistemas físicos, biológicos, económicos y otros.
El sistema de procesos químicos. Es un conjunto de procesos físicos y químicos ínter relacionados y medios físicos qué que lo implementan. Todo sistema de proceso tiene entradas y salidas. Entradas puede ser materia prima, temperatura, concentración etc. Un sistema está sujeto usualmente a señales o perturbaciones que para compensarlas se hace uso de correcciones o acciones de control. En este libro se denominará a un sistema de procesos químicos como sistema de procesos o simplemente como proceso.
Para visualizar un sistema de proceso simple vamos a considerar el siguiente proceso de calentamiento:
Se dispone de una corriente de liquido a razón de W (kg/h) y una temperatura Ti (oK). Se desea calentar esta corriente hasta una temperatura TR (oK) según el sistema de calentamiento mostrado en la Fig. 1.1. El fluido ingresa a un tanque bien agitado el cual esta equipado con un serpentín de calentamiento mediante vapor. Se asume que la agitación es suficiente para conseguir que todo el fluido en el tanque esté a la misma temperatura T. El fluido calentado es removido por el fondo del tanque a razón de W (kg/h) como producto de este proceso de calentamiento. Bajo estas condiciones la masa de fluido retenido en el tanque permanece constante en el tiempo y la temperatura del efluente es la misma que del fluido en el tanque. Por un diseño satisfactorio esta temperatura debe ser TR. El calor específico del fluido es Cp, se asume que permanece constante, independiente de la temperatura
Fig. 1.1 Proceso de Calentamiento de un Líquido
1.2 VARIABLES
Las variables de entrada y salida del proceso son de diferentes tipos:
Fig. 1.2 Variables y Perturbaciones
Variable controlada. Es la cantidad o condición que se mide y controla. Normalmente la variable controlada es la salida del sistema y cambia con el progreso del proceso. Por Ejemplo:
- La Temperatura de salida de la corriente de proceso en el calentador de la Fig. 1.1
- La Composición de salida en un sistema de reacción.
Variable manipulada. Es la cantidad o condición modificada por el controlador a fin de afectar la variable controlada. Estas afectan el curso del proceso y pueden ser medidas y cambiadas a voluntad. Por Ejemplo:
- El caudal de vapor en el calentador de la Fig. 1.1.
- La Composición de entrada en un sistema de reacción.
Perturbaciones. Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida del sistema. Estas afectan directamente el curso del proceso pero no pueden ser cambiadas a voluntad. Por Ejemplo:
- Cambio repentino en el caudal de entrada en un sistema de reacción.
- Las perturbaciones pueden ser:
- Perturbaciones Internas: Cuando se generan dentro del sistema
- Perturbaciones Externas: Cuando se generan fuera del sistema y constituye una entrada.
Variables intermedias. Son variables relacionadas con el curso del proceso solo indirectamente. Por Ejemplo, la temperatura del vapor en el tanque de calentamiento o la temperatura del agua de enfriamiento en un sistema de reacción.
Parámetros. Son las variables que toman un valor fijo durante el proceso.
Por Ejemplo, la presión de operación en un reactor.
Control. Significa medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar al sistema la variable manipulada para corregir o limitar la desviación del valor medido, respecto al valor deseado
1.3 DISEÑO AL ESTADO ESTACIONARIO (E. E.)
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:
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:
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.
1.4 CONTROL DE PROCESOS
Para el caso b) del ejemplo anterior 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.
1.5 NIVELES DE CONTROL
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.
1.6 EL ESTADO NO ESTACIONARIO (E. N. E.)
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:
dT
Acumulación = r VCp ——– energía/tiempo
dt
donde r = densidad del fluido
V = volumen del fluido en el tanque
t = variable independiente, tiempo
Con lo cual la ecuación de balance de energía será:
dT
r VCp ——- = W Cp Ti – W Cp T + q (1.4)
dt
Asumiendo que los flujos de entrada y salida son iguales y constantes, así como el término r V, el cual es la masa del fluido en el tanque (W), también constante, Se tiene :
dT
r VCp ——- = W Cp (Ti – T )+ q (1.5)
dt
La Ec. (1.1) es la solución al estado estacionario de la Ec. (1.5), obtenida para el tiempo cero.
1.7 PRINCIPIOS BÁSICOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL
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 este libro 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. Para mayor información consultar el texto sobre Modelamiento y Simulación de Procesos del mismo autor.
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 ana
líticamente 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. Hay que seleccionar el índice de comportamiento más adecuado para cada situación.