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Control de Procesos Industriales
1. INTRODUCCIÓN

por
Pascual Campoy
Universidad Politécnica Madrid
U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

1

Control de Procesos Industriales:
Introducción
•
•
•
•
•
•
•

Esquemas del control industrial
Variables involucradas
Elementos de control
Objetivos del control
Necesidad y ventajas del control
Niveles de control industrial
Diseño de un sistema de control

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

2

1
Ejemplo 1.1: mezclador

AC

Xref

F 1 X1
F 2 X2

FX

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

AT

Control de Procesos Industriales

3

Esquema de control básico
• Lazo clásico de control por realimentación
de la salida
Variable de
referencia

controlador

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

actuador

Sistema

Control de Procesos Industriales

sensor

Variable
medida

4

2
Esquema de control avanzado
perturbaciones

sensor

Variables de
referencia

sensor
Variables
manipuladas

Control

actuador

Avanzado

actuador

Variables a
controlar

sensor

actuador

um

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

sensor
sensor

Sistema

actuador

v

Variables
medidas

u

y

sensor

Control de Procesos Industriales

ym

5

Variables involucradas
• Variables a controlar

• temperaturas, presiones, niveles, composiciones, caudales, ...

• Variables medidas
• Variables manipuladas o de control
• aperturas de válvulas

• Variables de consigna o de referencia
• Perturbaciones
• temperaturas, caudales, composiciones de materias primas, ...

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

6

3
Elementos de control
• Sensores

– miden el fenómeno físico

• Transmisores

– acondicionan la señal

• Controladores

– producen la ley de control

• Actuadores

– manipulan las variables de control

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

7

Objetivos del control
• Seguridad y estabilidad

– no se violen restricciones de operación

• Ajuste a la cantidad y calidad
demandada
• Cumplimiento de normativa
medioambiental
• Funcionamiento cercano al óptimo
– menor coste y máximo beneficio

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

8

4
… ejemplo 1.1: mezclador

AC

Xref

F 1 X1
F 2 X2

FX

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P. Campoy

AT

Control de Procesos Industriales

9

Cuantificación ventajas control
mejor control

índice calidad
demandado
por el cliente

mejor control ⇒ menor variabilidad ⇒ menor coste
U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

10

5
Necesidad de la
automatización de procesos
• Controlar las variables de salida a voluntad
• Control con modelos inexactos y
perturbaciones
• Mejorar el control mediante utilización de
variables auxiliares
• Controlar varias variables interaccionadas
• Controlar con objetivos más complejos

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

11

Control de Procesos Industriales:
Introducción
•
•
•
•
•
•
•

Esquemas del control industrial
Variables involucradas
Elementos de control
Objetivos del control
Necesidad y ventajas del control
Niveles de control industrial
Diseño de un sistema de control

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

12

6
Control Regulatorio Básico:
Principio de funcionamiento

• Teoría clásica de control por realimentación de la
salida, cerrando lazos monovariables (SISO)
AC

Xref

F 1 X1
F 2 X2

Href

LC

LT
FX

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

AT

Control de Procesos Industriales

13

Control Regulatorio Básico:
problemas y resultados
• Problemas:

– Emparejamiento de variables
– Elevada interacción fuera de los lazos elegidos
=> desintonización de los controladores

• Resultados:

– Elevado margen de seguridad en calidad,
cantidad y restricciones
– Incremento del coste y pérdida de beneficios

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

14

7
Control Regulatorio Avanzado
• Utilización de variables auxiliares:

– Lazos en cascada, lazos anticipativos, compensación de
tiempos muertos, control con restricciones
LL

AT

AC

+

AY

Xref

AY Σ

+
F1 X1

F2 X2

Href

LC

LT
FX

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

AT

Control de Procesos Industriales

15

Control Multivariable
• Estudio del modelo matricial (MIMO)
Href
Xref

Control
Multivariable
AT
F1 X1

AT
F2 X2

LT
FX

AT

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

16

8
U.P.M.-DISAM

• Control Regulatorio
Básico
• Control Regulatorio
Avanzado
• Control Multivariable
P. Campoy

Coste de producción

Coste de instalación

Elección del nivel de control

Control de Procesos Industriales

17

Diseño de un sistema de control:
consideraciones previas
• Debe abordarse al mismo tiempo que
se diseña el proceso
• El proceso debe responder
rápidamente a las variables de control
• La magnitud y la frecuencia de las
perturbaciones debe ser reducida

U.P.M.-DISAM

P. Campoy

Control de Procesos Industriales

18

9
Diseño de un sistema de
control: Fases
1. Definir los objetivos
2. Identificar las variables a medir y las
variables de control
3. Seleccionar la configuración del sistema
de control
4. Diseñar de la ley de control
5. Especificar la instrumentación de
control
U.P.M.-DISAM

P. Campoy

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  • 1. Control de Procesos Industriales 1. INTRODUCCIÓN por Pascual Campoy Universidad Politécnica Madrid U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 1 Control de Procesos Industriales: Introducción • • • • • • • Esquemas del control industrial Variables involucradas Elementos de control Objetivos del control Necesidad y ventajas del control Niveles de control industrial Diseño de un sistema de control U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 2 1
  • 2. Ejemplo 1.1: mezclador AC Xref F 1 X1 F 2 X2 FX U.P.M.-DISAM P. Campoy AT Control de Procesos Industriales 3 Esquema de control básico • Lazo clásico de control por realimentación de la salida Variable de referencia controlador U.P.M.-DISAM P. Campoy actuador Sistema Control de Procesos Industriales sensor Variable medida 4 2
  • 3. Esquema de control avanzado perturbaciones sensor Variables de referencia sensor Variables manipuladas Control actuador Avanzado actuador Variables a controlar sensor actuador um U.P.M.-DISAM P. Campoy sensor sensor Sistema actuador v Variables medidas u y sensor Control de Procesos Industriales ym 5 Variables involucradas • Variables a controlar • temperaturas, presiones, niveles, composiciones, caudales, ... • Variables medidas • Variables manipuladas o de control • aperturas de válvulas • Variables de consigna o de referencia • Perturbaciones • temperaturas, caudales, composiciones de materias primas, ... U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 6 3
  • 4. Elementos de control • Sensores – miden el fenómeno físico • Transmisores – acondicionan la señal • Controladores – producen la ley de control • Actuadores – manipulan las variables de control U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 7 Objetivos del control • Seguridad y estabilidad – no se violen restricciones de operación • Ajuste a la cantidad y calidad demandada • Cumplimiento de normativa medioambiental • Funcionamiento cercano al óptimo – menor coste y máximo beneficio U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 8 4
  • 5. … ejemplo 1.1: mezclador AC Xref F 1 X1 F 2 X2 FX U.P.M.-DISAM P. Campoy AT Control de Procesos Industriales 9 Cuantificación ventajas control mejor control índice calidad demandado por el cliente mejor control ⇒ menor variabilidad ⇒ menor coste U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 10 5
  • 6. Necesidad de la automatización de procesos • Controlar las variables de salida a voluntad • Control con modelos inexactos y perturbaciones • Mejorar el control mediante utilización de variables auxiliares • Controlar varias variables interaccionadas • Controlar con objetivos más complejos U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 11 Control de Procesos Industriales: Introducción • • • • • • • Esquemas del control industrial Variables involucradas Elementos de control Objetivos del control Necesidad y ventajas del control Niveles de control industrial Diseño de un sistema de control U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 12 6
  • 7. Control Regulatorio Básico: Principio de funcionamiento • Teoría clásica de control por realimentación de la salida, cerrando lazos monovariables (SISO) AC Xref F 1 X1 F 2 X2 Href LC LT FX U.P.M.-DISAM P. Campoy AT Control de Procesos Industriales 13 Control Regulatorio Básico: problemas y resultados • Problemas: – Emparejamiento de variables – Elevada interacción fuera de los lazos elegidos => desintonización de los controladores • Resultados: – Elevado margen de seguridad en calidad, cantidad y restricciones – Incremento del coste y pérdida de beneficios U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 14 7
  • 8. Control Regulatorio Avanzado • Utilización de variables auxiliares: – Lazos en cascada, lazos anticipativos, compensación de tiempos muertos, control con restricciones LL AT AC + AY Xref AY Σ + F1 X1 F2 X2 Href LC LT FX U.P.M.-DISAM P. Campoy AT Control de Procesos Industriales 15 Control Multivariable • Estudio del modelo matricial (MIMO) Href Xref Control Multivariable AT F1 X1 AT F2 X2 LT FX AT U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 16 8
  • 9. U.P.M.-DISAM • Control Regulatorio Básico • Control Regulatorio Avanzado • Control Multivariable P. Campoy Coste de producción Coste de instalación Elección del nivel de control Control de Procesos Industriales 17 Diseño de un sistema de control: consideraciones previas • Debe abordarse al mismo tiempo que se diseña el proceso • El proceso debe responder rápidamente a las variables de control • La magnitud y la frecuencia de las perturbaciones debe ser reducida U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 18 9
  • 10. Diseño de un sistema de control: Fases 1. Definir los objetivos 2. Identificar las variables a medir y las variables de control 3. Seleccionar la configuración del sistema de control 4. Diseñar de la ley de control 5. Especificar la instrumentación de control U.P.M.-DISAM P. Campoy Control de Procesos Industriales 19 10