¿Qué es el Control en Cascada?
En el control de bucle único, el punto de ajuste del controlador es establecido por un operador, y su salida impulsa un elemento de control final. Por ejemplo: un controlador de nivel que acciona una válvula de control para mantener el nivel en su punto de ajuste.
Control de bucle único
En una disposición de control en cascada, hay dos (o más) controladores de los cuales la salida de un controlador controla el punto de ajuste de otro controlador. Por ejemplo: un controlador de nivel que controla el punto de ajuste de un controlador de flujo para mantener el nivel en su punto de ajuste. El controlador de flujo, a su vez, acciona una válvula de control para que coincida con el flujo con el punto de ajuste que solicita el controlador de nivel.
Control en cascada
El controlador que controla el punto de ajuste (el controlador de nivel en el ejemplo anterior) se denomina controlador primario, externo o maestro. El controlador que recibe el punto de ajuste (controlador de flujo en el ejemplo) se llama controlador secundario, interno o esclavo.
¿Cuáles son las ventajas del Control en Cascada?Hay varias ventajas del control en cascada, y la mayoría de ellas se reducen a aislar un bucle de control lento de no linealidades en el elemento de control final. En el ejemplo anterior, el bucle de control de nivel relativamente lento se aísla de cualquier problema de la válvula de control al hacer que el bucle de control de flujo rápido se ocupe de estos problemas.
Imagine que la válvula de control tiene un problema de adherencia (consulte el blog sobre problemas de válvula.) Sin el bucle de control de flujo, el bucle de control de nivel (que acciona la válvula adhesiva) oscilará continuamente en un ciclo de deslizamiento con un período largo (lento), lo que probablemente afectará el proceso aguas abajo. Con el bucle de control de flujo rápido en su lugar, la válvula de control pegajosa hará que oscile, pero en un período mucho más corto (más rápido) debido al comportamiento dinámico rápido inherente de un bucle de flujo bien ajustado. Es probable que las oscilaciones rápidas se atenúen por el proceso descendente sin tener gran parte de un efecto adverso.
O imagine que la válvula de control tiene una característica de flujo no lineal (consulte el blog sobre problemas de válvulas.) Esto requiere que el bucle de control que lo conduce se desafine para mantener la estabilidad en todo el rango posible de caudales. (Por supuesto, hay mejores maneras de lidiar con las no linealidades, pero ese es el tema de otro blog.) Si el controlador de nivel acciona directamente la válvula, debe desafinarse para mantener la estabilidad, lo que posiblemente resulte en un control de nivel muy deficiente. En una disposición de control en cascada con un bucle de control de flujo que acciona la válvula, el bucle de flujo se desafinará para mantener la estabilidad. Esto resultará en un control de flujo relativamente pobre, pero debido a que el bucle de flujo es dinámicamente mucho más rápido que el bucle de nivel, el bucle de control de nivel apenas se ve afectado.
¿Cuándo Se Debe Usar el Control en Cascada?El control en cascada siempre debe usarse si tiene un proceso con dinámica relativamente lenta (como nivel, temperatura, composición, humedad) y un flujo de líquido o gas, o algún otro proceso relativamente rápido, debe manipularse para controlar el proceso lento. Por ejemplo: cambiar el caudal de agua de refrigeración para controlar la presión del condensador (vacío), o cambiar el caudal de vapor para controlar la temperatura de salida del intercambiador de calor. En ambos casos, los bucles de control de flujo deben utilizarse como bucles internos en arreglos en cascada.
¿Tiene algún Inconveniente el Control en Cascada?El control en cascada tiene tres desventajas. Uno, requiere una medición adicional (generalmente caudal) para funcionar. Dos, hay un controlador adicional que tiene que ser afinado. Y tres, la estrategia de control es más complejo para los ingenieros y operadores. Estas desventajas deben sopesarse con los beneficios de la mejora esperada en el control para decidir si se debe implementar el control en cascada.
¿Cuándo No se Debe Utilizar el Control en Cascada?El control en cascada es beneficioso solo si la dinámica del bucle interno es rápida en comparación con la del bucle externo. El control en cascada generalmente no se debe usar si el bucle interno no es al menos tres veces más rápido que el bucle externo, porque el rendimiento mejorado puede no justificar la complejidad añadida.
Además de los beneficios disminuidos del control en cascada cuando el bucle interno no es significativamente más rápido que el bucle externo, también existe un riesgo de interacción entre los dos bucles que podría resultar en inestabilidad, especialmente si el bucle interno está sintonizado de manera muy agresiva.
¿Cómo Se Deben Ajustar los Controles en Cascada?
Una disposición en cascada debe ser afinada comenzando con el bucle más interno. Una vez que se afina, se coloca en control en cascada, o modo de punto de ajuste externo, y luego se afina el bucle que conduce su punto de ajuste. No utilice reglas de afinación de amortiguación de cuarto de amplitud (como las reglas sin modificar de Ziegler-Nichols y Cohen-Coon) para afinar bucles de control en una estructura en cascada, ya que puede causar inestabilidad si la dinámica de proceso de los bucles internos y externos es similar.
