Control en Cascada

Hola controleros y controleras sean bienvenidos una vez más a otra entrada de la página de Control Automático Educación, donde vamos a continuar con nuestro curso de Control Realimentado. Hoy vamos a aprender en que consiste el Control en Cascada, cual es la importancia que tiene dentro de un lazo de control y haremos algunos ejemplos de implementación del control en cascada.

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Control en Cascada

Esta es una estructura de control que hace uso de una forma más eficiente el diseño y proyecto de cualquier estructura de control realimentado.

Para entender mejor el concepto del control en cascada, vamos a suponer que un proceso industrial cualquiera está dividido en varias etapas por las cuales la variable principal a ser controlada va transitando, solo que, en cada etapa del proceso, puede aparecer alguna perturbación que afectaría significativamente el control de mi variable principal, como lo vemos en la siguiente figura:

Del esquema anterior, se puede intuir que sería muy interesante, si pudiéramos medir alguna de esas perturbaciones antes de que estas afecten la variable principal de mi proceso.

Adicionalmente, se puede intuir que entre más elementos (bloques) tengamos, mi proceso será cada vez mucho más lento, pues este estará acumulando todas las dinámicas de cada bloque.

Si se consigue realimentar una variable intermediara, se podría eliminar el efecto de esa perturbación de una forma más rápida, que simplemente dejar que esa perturbación aparezca en mi variable principal para rechazarla al final de todas las dinámicas.

Cuando Realizar un Control en Cascada:

• Este tipo de control se puede realizar cuando mi proceso a controlar posee diferentes partes o etapas.
• Cuando tengo puntos de medida dentro del proceso.
• Cuando tengo la posibilidad de actuar en forma de cascada o sea que tenga mallas de control dentro de otra malla de control.
• Cuando mi variable a ser controlada sea mucho más lenta que las variables intermediarias, para que esta estructura realmente tenga sentido. Ya que, si la dinámica interna es más lenta, no se tiene ninguna ganancia al realimentar esa malla interna pues a la salida del proceso no tendremos una ganancia considerable desde el punto de vista del control.

Este último punto lo podríamos resumir de la siguiente forma: Tengo un proceso (dinámica) que sería mi proceso principal, y, (el cual es el lento) y tengo un segundo proceso que sería el secundario, y1, (es el rápido):

Si consigo medir la variable intermediara, y1, se vuelve interesante entonces colocar un control intermediario, sintonizado o diseñado usando cualquiera de las estrategias vistas en la página web, con el objetivo de hacer que la variable intermediaria, y1, sea lo más inmune posible a la variable de perturbación, q1.

Con esta malla de control, vamos a hacer que la perturbación q1 desaparezca rápidamente, dado que la malla de control es rápida. Porque habíamos considerado que el subproceso era rápido y con la inclusión de un controlador, se puede acelerar todavía más esa respuesta.

Con esto, mi segunda dinámica, que es el proceso principal, no va a ver el efecto de la perturbación q1, porque ya la matamos en el primer lazo de control.

Con esto, ya puedo preocuparme en controlar mi variable principal, adicionando una segunda malla de control.

La estructura de un control en cascada puede ser evidenciada en el siguiente diagrama de bloque:

Ese nuevo controlador va a buscar que el nuevo conjunto de proceso que se tiene en la malla sea controlado de forma eficiente, donde debido a la dinámica interna ser muy rápida, esta no se sentirá en la malla externa, por lo tanto, es como si estuviera únicamente diseñando el controlador para el proceso principal.

Esta es la razón por la que se llama control en cascada, porque tiene varios controladores en el lazo de control.

Note que el control externo (principal) envía el setpoint para el control interno (secundario).

En el lazo cerrado interno (encerrado en el cuadro puntillado del diagrama de bloques) tiene una dinámica propia, pero como esa dinámica es mucho más rápida que el lazo externo, la dinámica del lazo interno no va a hacer casi que ningún efecto en el lazo de control externo, sería como si estuviéramos substituyendo ese bloque por 1 porque casi siempre estará en el setpoint, y además el lazo externo ya no tendrá esa perturbación q1 porque fue eliminada, por lo tanto, prácticamente es como si estuviéramos calculando un controlador (C2) para el lazo principal.

Control en Cascada Ejemplos

A continuación se explicará la estructura de los sistemas de control en cascada a través de algunos ejemplos. Donde podremos apreciar los diferentes lazos de control en cascada que surgen dependiendo del tipo de aplicación en la que se implementa esta estrategia de control.

Los controladores empleados en la estrategia de un sistema de control de cascada pueden ser cualquiera de los ya abordados en este sitio WEB.

A modo de ejemplo veremos la implementetación del controlador más popular, o sea veremos la implementación de varios PID en Cascada.

Control en Cascada – Nivel en Tanque

Como ejemplo tomemos el nivel de un tanque, donde sabemos que para manipular la altura al interior del tanque vamos a tener que actuar sobre el caudal que pasa por la válvula de control v-1 a través de la abertura o cierre de la válvula (ae).

La relación existente entre la abertura y el caudal de la válvula es muy rápida.

Por otro lado, la relación que existe entre el caudal y el nivel es mucho más lenta porque normalmente el tanque es grande comparado con la abertura de la válvula.

Además, si se considera la presión en la entrada de la válvula puedo hacer una relación del caudal que depende de la presión de entrada por la abertura de la válvula.

El procedimiento que seguir en el tanque es el siguiente:

Instalar un medidor de Caudal en la tubería de la válvula, para realizar un control secundario de caudal, que controle los cambios de perturbación de carga en la presión de entrada. Con esto garantizo siempre tener el caudal que se desea en la entrada del tanque.

Note que el caudal que se desea en ese proceso es aquel caudal que me llena el tanque en el nivel que se necesita, por lo tanto se hace indispensable que el control de nivel, le dé el setpoint al control de caudal.

Control en Cascada Motor de Corriente Directa

Un segundo Ejemplo de un control en cascada típico es el control de posición de un motor con carga, el cual tiene 3 lazos de control, representado por el siguiente diagrama:

donde:

V: Voltaje

I: Corriente

: Velocidad

: posición

T: Torque de Carga

Si se mide la corriente del motor, es posible realizar un control de torque del motor.

Este control se coloca en lo más interno del lazo, debido a su velocidad (la corriente se establece en cuestiones de milisegundos). Con esto garantizamos que toda perturbación de corriente será eliminada por este lazo de control.

Después medimos la velocidad del motor, el cual es afectado por el torque de carga al cual está conectado el propio motor. El control de velocidad es el siguiente lazo de control que actúa en cuestión de segundos para intentar rechazar las perturbaciones de carga del motor. Este lazo entonces le dará el setpoint al lazo de corriente.

Finalmente, como el objetivo es controlar la posición, esta será el lazo más externo. El cual intentará llevar el motor a la posición deseada, dicha variable es la más lenta de todo el sistema.

Este es un sistema típico que es vendido en la industria para el accionamiento de máquinas modernas, los cuales tienen un control de corriente, velocidad y posición.

Aunque en el sistema comercial, no es posible configurar el controlador interno de corriente, dado que es restringido el acceso al usuario, si es posible modificar el controlador del lazo de velocidad y a través de un computador hacer el control de posición.

Diagrama en Simulink

Para descargar el diagrama en simulink visto en el video, solo basta con que compartas el contenido de este post con cualquiera de los siguientes tres botones, para que ayudes a difundir el contenido de este sitio web y puedas ayudar a las demás personas a entender este concepto.

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Perfecto contrleros y controleras, con esto le damos fin a otra entrada de la pagina web, espero hayan podido entender un poco en que consiste el concepto del control en cascada y puedan comenzar a aplicarlo en sus proyectos.

Como verán el diseño de controladores en cascada traen un gran beneficio en el rechazo de perturbaciones, pero a la vez se puede tornar una estructura compleja debido a las diferentes sintonias o proyectos de controladores que debe hacerse dentro de el lazo de control

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No siendo más nos vemos en una próxima clase.