Control Feedback y Feedforward

Control Feedback (Realimentado) vs. Control Feedforward (Anticipativo): El control feedback o realimentado se basa en el error para compensar el efecto de las perturbaciones, esto es, la diferencia entre la variable controlada y el set point. Así, el controlador corregirá esta diferencia volviendo a poner el valor de la variable de proceso (PV) en su valor de consigna. El feedforward o anticipativo, por su parte, actúa sobre el proceso en función de las perturbaciones observadas. Esto quiere decir que no hay que esperar a que se produzca el error, sino que, en cuanto se detecta un cambio en la variable de perturbación, actúa antes de que la variable de proceso se desvíe del valor de consigna.

Diferencias entre Feedback y Feedforward

  • Controladores: Feedback usa controladores P, PI, PI/otro tipo de controladores; Feedforward usa otro tipo de controladores.
  • Acción: Feedback tiene acción correctora; Feedforward tiene acción preventiva.
  • Parámetros del Proceso: Feedback no se ve afectado por modificaciones en los parámetros del proceso; Feedforward sí se ve afectado.
  • Errores de Diseño: Feedback no le afectan los errores de diseño; Feedforward sí le afectan.
  • Procesos Lentos: Feedback tiene mal control para procesos lentos con τ grande; Feedforward tiene buen control para procesos lentos.
  • Estabilidad: Feedback crea inestabilidad en el lazo cerrado; Feedforward proporciona estabilidad.
  • Cambios de Carga: Feedback controla cambios de carga; Feedforward los ignora.
  • Conocimiento del Modelo: Feedback no requiere conocimiento del modelo del proceso; Feedforward requiere un conocimiento muy estricto del modelo.

Ventajas y Desventajas del Feedforward

Ventajas:

  • Actúa antes de que el efecto de la perturbación se sienta en el sistema.
  • Es un buen control para sistemas lentos con tiempo muerto significativo.
  • No introduce inestabilidad en el lazo cerrado.

Desventajas:

  • Requiere la identificación de todas las posibles perturbaciones y sus medidas directas.
  • No trata las perturbaciones no medidas.
  • Es sensible a variaciones en los parámetros del proceso.
  • Requiere un buen conocimiento del proceso.
  • Solo se utiliza en casos justificados, por razones económicas y de seguridad de la operación.

Realimentación Positiva vs. Negativa

La realimentación positiva suele darse cuando tenemos una válvula de acción directa y un controlador de acción inversa o viceversa, y causa inestabilidad en el sistema porque la variable controlada se aleja mucho del set point. La realimentación negativa se suele dar cuando hay inversa-inversa o directa-directa y causa estabilidad, por lo que siempre se intenta conseguir realimentación negativa para contrarrestar el error.

Componentes del Sistema de Control

Sensor (Captador) y Elemento Final de Control

El sensor recibe una información de la variable controlada y la convierte en otra que representa continuamente el valor de la PV. El elemento final de control (EFC) es el elemento que recibe la señal de control y modifica la variable manipulada afectando al proceso.

Actuador: Amplificador de Potencia

Convierte las órdenes de control en una acción física. Se puede considerar como el órgano musculado de un sistema de control automático.

Elemento de Transmisión: Transmisores

Transmiten una información variable, procedente de los sensores o controladores, a un lugar determinado, suministrando en la salida una señal normalizada.

Elemento de Entrada

Convierte el valor de consigna en otro compatible con la medida PV de la variable controlada.

Lazo Abierto vs. Lazo Cerrado

Lazo Abierto: Es cuando se desconoce el valor de las variables controladas, es decir, la acción sobre las variables manipuladas no depende del valor de la variable controlada.

Lazo Cerrado: Es cuando la acción de control sobre las variables manipuladas del proceso depende del valor de las PV. Es un sistema de control automático realimentado.

Sistema Estable vs. Inestable

Sistema Estable: Es aquel que, ante una perturbación o cambio de set point, el sistema tiende otra vez hacia un nuevo estado estacionario.

Sistema Inestable: Es cuando el sistema no es capaz de hacer que la variable controlada vuelva al valor de consigna después de una perturbación.

Respuesta Sobreamortiguada vs. Subamortiguada

La respuesta sobreamortiguada tiene oscilaciones aperiódicas, es decir, la amplitud crece constantemente hasta alcanzar un límite natural. Esta situación es peligrosa e incontrolada que se debe evitar. Las ganancias de los elementos del bucle son > 1. Las subamortiguadas, en cambio, se caracterizan por el factor de atenuación y la amplitud de los picos decrece gradualmente. Ganancias de los elementos del bucle < 1.

Windup

Consiste en la saturación del nodo integral del control PI o PID que se origina durante el tiempo que una variable manipulada queda fuera de control. Al reiniciarse el control, la variable de proceso excede la consigna, produciéndose sobrepicos antes de que la medida se estabilice. Para evitarlo, los controladores tienen integrado un mecanismo llamado anti-windup integral.

Diferencias entre Ajuste Ordinario y Autoajuste

Ajuste Ordinario: Se considera que las características del proceso no varían, y solo se especifica un valor de la PV: el valor de consigna. Los ajustes realizados resultan inadecuados cuando una de las características del proceso varía.

Autoajuste: Además del valor de consigna, se especifica una función objetivo a minimizar. A través de las medidas de esta función, se determina si han variado las características del proceso. Si ha habido variación, se actualizan las características y los nuevos valores son utilizados para determinar los parámetros del regulador adaptados a la nueva dinámica del proceso. El lazo de control será un bucle realimentado normal sobre la PV y otro sobre la función objetivo.

Tipos de Perturbaciones

Las perturbaciones son fluctuaciones en el curso del tiempo de las variables no manipuladas que intervienen en el proceso y afectan a la variable controlada (son 4):

  • Error de Modelización: Es necesario que el lazo de control sea robusto, aunque es inevitable incurrir en un error de modelización. Su comportamiento debe ser poco sensible a variaciones de los parámetros y orden del proceso.
  • Perturbaciones Medibles: Representan el efecto de las variables de proceso que se han considerado secundarias al desarrollar el modelo. La perturbación que queremos controlar debe ser medible.
  • Perturbaciones Aleatorias: No las podemos medir porque tienen influencia del medio ambiente, aunque el mecanismo permite contrarrestarlas.
  • Perturbaciones en la Carga: Pueden cambiar bruscamente al cambiar el punto de operación y afectan a la salida.