Control en Cascada: Optimización y Diseño para Sistemas de Control Industrial

Concepto de Control en Cascada

Se define como la configuración donde la salida de un controlador de realimentación es el punto de ajuste para otro controlador de realimentación. Más precisamente, el control en cascada involucra sistemas de control de realimentación o circuitos que están ordenados uno dentro del otro. Existen dos propósitos principales para usar control en cascada:

1. Eliminar el efecto de algunas perturbaciones haciendo la respuesta de regulación del sistema más estable y rápida.
2. Mejorar la dinámica del lazo de control.

Ventajas del Control en Cascada

El control en cascada ofrece múltiples ventajas:

1. Estabilidad en la operación.
2. Las perturbaciones en el lazo interno o secundario son corregidas por el controlador secundario, antes de que puedan afectar a la variable primaria.
3. Cualquier variación en la ganancia estática de la parte secundaria del proceso es compensada por su propio lazo.
4. Las constantes de tiempo asociadas al proceso secundario son reducidas drásticamente por el lazo secundario.
5. El controlador primario recibe ayuda del controlador secundario para lograr una gran reducción en la variación de la variable primaria.
6. Es menos sensible a errores de modelado.
7. Incremento de la capacidad de producción.

Limitaciones de Aplicación del Control en Cascada

A pesar de sus ventajas, el control en cascada presenta algunas limitaciones:

1. Es aplicable solo cuando pueden obtenerse mediciones de variables adicionales de proceso.
2. Requiere medir las perturbaciones de forma explícita, y además es necesario un modelo para calcular la salida del controlador.
3. En algunas aplicaciones, la variable controlada no puede medirse y la realimentación no puede realizarse.

Diseño de Control en Cascada

Los criterios para el diseño de control en cascada son:

Puede ser considerado:

1. Cuando el control realimentado simple no provee un desempeño satisfactorio a lazo cerrado.
2. Cuando la medida de la variable secundaria está disponible.

La variable secundaria debe satisfacer los siguientes criterios:

1. Debe indicar la ocurrencia de una perturbación importante.
2. Debe haber una relación causal entre la variable manipulada y la segunda variable.
3. La variable secundaria debe tener una dinámica más rápida que la variable primaria. Típicamente, el tiempo pico (tp) debe ser mayor que tres veces la constante de tiempo del proceso secundario (3ts).

Implementación de Controlador en Cascada

Consideraciones Principales para la Implementación

Una cuestión importante en la implementación de control en cascada es cómo encontrar la variable secundaria controlada más ventajosa, es decir, determinar cómo el proceso puede ser mejor dividido. La selección de la variable controlada secundaria es tan importante que es útil formalizar algunas reglas:

Regla 1.- Diseñar el lazo secundario de manera que contenga las perturbaciones más serias.

Regla 2.- Hacer el lazo secundario tan rápido como sea posible, incluyendo solamente los menores retrasos del sistema completo de control.

Regla 3.- Seleccionar una variable secundaria cuyos valores estén definidos y fácilmente relacionados a los valores de la variable primaria.

Regla 4.- Incluir en el lazo secundario tantas perturbaciones como sea posible, manteniéndolo al mismo tiempo, relativamente rápido.

Regla 5.- Escoger una variable secundaria de control que permita al controlador secundario operar a la ganancia más alta posible (la más baja banda proporcional). Esto es difícil de predecir.

1. PROCESOS El proceso es 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. Llamaremos proceso a cualquier operación que deba controlarse (ej: procesos químicos, económicos o biológicos).
2. 6. SISTEMAS Un sistema es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen determinado objetivo. Un sistema no está limitado a objetos 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.
3. 7. PERTURBACIONES Una perturbación es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina interna , mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada.
4. 8. CONTROL RETROALIMENTADO El control retroalimentado es una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida del sistema y alguna entrada de referencia, realizándolo sobre la base de esta diferencia. Aquí sólo se especifican las perturbaciones no previsibles, ya que las predecibles o conocidas, siempre pueden compensarse dentro del sistema.
5. 9. SISTEMAS DE CONTROL RETROALIMENTADO 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.
6. 10. SERVOSISTEMAS Se llama servosistema (o servomecanismo) a 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 utiilizan ampliamente en la industria moderna. Por ejemplo, con el uso de servosistemas e instrucción programada se puede lograr la operación totalmente automática de máquinas o herramientas.
7. 11. SISTEMAS DE REGULACIÓN AUTOMÁTICA Un sistema de regulación automática es un sistema de control retroalimentado en el que la entrada de referencia o la salida deseada son, o bien constantes o bien varían lentamente en el tiempo, y donde la tarea fundamental consiste en mantener la salida en el valor deseado a pesar de las perturbaciones presentes (ej: la regulación automática de tensión en una planta generadora eléctrica).
8. 12. SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS A un sistema de regulación automático en el que la salida es una variable como temperatura, presión, flujo, nivel de líquido o pH, se le denomina sistema de control de proceso . El control de proceso tiene amplia aplicación en la industria. En estos sistemas con frecuencia se usan controles programados, por ejemplo, el programa establecido puede consistir en elevar la temperatura a determinado valor durante un intervalo de tiempo definido, y luego reducirla a otra temperatura prefijada durante otro periodo.
9. 13. SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO Con frecuencia se llama así a los sistemas de control retroalimentado. En la práctica, se utiliza indistintamente la denominación control retroalimentado o control de lazo cerrado. La señal de error actuante, que es la diferencia entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El término lazo cerrado implica siempre el uso de la acción de control retroalimentado para reducir el error del sistema.
10. 14. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO Los sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la señal de control, se denominan sistemas de control de lazo abierto. En estos sistemas, la salida ni se mide ni se retroalimenta para compararla con la entrada. Por tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple su función asignada. En la práctica se puede utilizar sólo si la relación entrada – salida es conocida y si no se presentan perturbaciones de ningún tipo.
11. 15. LAZO CERRADO V/S LAZO ABIERTO
    • Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado es que el uso de la retroalimentación hace que la respuesta del sistema sea relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de parámetros del sistema. De este modo, es posible utilizar componentes relativamente imprecisos y económicos , y lograr la exactitud de control requerida en determinada planta, cosa que sería imposible en un control de lazo abierto.
12. 16. LAZO CERRADO V/S LAZO ABIERTO
    • Desde el punto de vista de la estabilidad , en el sistema de control de lazo abierto, ésta es más fácil de lograr , ya que en él la estabilidad no constituye un problema importante. En cambio, en los sistemas de lazo cerrado, la estabilidad sí es un problema importante, por su tendencia a sobrecorregir errores que pueden producir oscilaciones de amplitud constante o variable.
13. 17. LAZO CERRADO V/S LAZO ABIERTO
    • Para sistemas cuyas entradas son conocidas previamente y en los que no hay perturbaciones, es preferible utilizar el control de lazo abierto. Los sistemas de control de lazo cerrado tienen ventajas sólo si se presentan perturbaciones no previcibles y/o variaciones imprevisibles de componentes del sistema.
14. 18. LAZO CERRADO V/S LAZO ABIERTO
    • La potencia de salida determina parcialmente el costo, peso y tamaño de un sistema de control. La cantidad de componentes utilizados en un sistema de control de lazo cerrado es mayor a la correspondiente a un sistema de control de lazo abierto. Así, un sistema de control de lazo cerrado es generalmente de mayor costo y potencia . Para reducir la potencia requerida por un sistema, cuando sea posible, es conveniente usar un sistema de lazo abierto (o una combinación de ambos sistemas).