Control Adaptativo Predictivo Experto
Los controladores PID están presentes en la gran mayoría de procesos de control. Sin embargo, este tipo de controladores necesitan de ajustes manuales que, en ocasiones, pueden no ser completamente efectivos para el desempeño de la función requerida.
Con posterioridad se desarrollaron los denominados sistemas expertos, con los que se realizaba esta labor de ajuste. Este tipo de sistemas debía diseñarse expresamente para cada proceso, siendo muy sensibles a los cambios que se produjeran sobre éste y, por lo tanto, difíciles y costosos en su desarrollo y mantenimiento.
En la década de los 70 se ideó el principio de control adaptativo predictivo, cuya innovación consiste en hacer la salida predicha del proceso igual a la deseada, mediante un modelo de predicción que puede ser ajustado automáticamente en tiempo real (adaptativo). Este tipo de control pierde eficacia con las evoluciones del proceso debido a que se pierde eficacia en la adaptación.
Control Adaptativo Predictivo Experto
En 2001 se patentó una nueva metodología que combina el control adaptativo predictivo con el control experto. En este modelo se parte de una serie de valores de consigna que son introducidos en un bloque con el que se genera la salida deseada. Esta salida deseada es introducida en el modelo predictivo, generándose la señal de control. La señal de control a su vez gestiona al modelo adaptativo, el cual realimenta tanto a la generación de la señal deseada, informando sobre la desviación de la señal de salida sobre la deseada y procediendo este bloque a generar una nueva salida deseada, como el modelo predictivo, para hacer que el error de predicción se minimice. Además un bloque experto actúa sobre la generación de la señal deseada, el modelo predictivo y el modelo adaptativo, cambiando sus condiciones de operación en función de las necesidades del proceso.
Control Adaptativo Predictivo ExpertoControl Predictivo
En la vida real, las plantas a controlar presentan retardos o tiempos muertos provocados por retardos en sensores y actuadores, el número de sistemas conectados en serie etc., que generan complicaciones para los sistemas de control ya que se retrasan la detección de perturbaciones y/o la acción de control, o esta se realiza en base a errores que ya han quedado desfasados y no son actuales. Esto provoca un desfase en la respuesta tanto mayor cuanto mayor es la frecuencia, provocando que la ganancia se reduzca y se pueda llegar a la inestabilidad en bucle cerrado. Una solución para intentar resolver el problema pasa por desintonizar el control PID, pero esta no es una solución adecuada.
Control Adaptativo Predictivo ExpertoControl Predictivo
El concepto de control predictivo fue introducido en 1974 y puede definirse como el "control que, basándose en un modelo del proceso, hace que la salida dinámica del proceso predicha por un modelo sea igual a una salida dinámica deseada, convenientemente elegida".
Control Adaptativo Predictivo ExpertoControl Predictivo: Predictor Smith
• El predictor de Smith trata de solucionar el problema del control en los sistemas con retardo. En este caso lo que se pretende es crear un modelo predictivo de la salida (proceso) y utilizarlo para la realimentación, eliminando así el retraso.
• En un proceso con retardo e-tms, a partir de la acción de control Gc(s) se genera el modelo predictivo Gm(s); por un lado, a este modelo predictivo se le aplica el retraso de la planta y se realimenta con la salida de ésta, obteniéndose el error de predicción e(t), y por otro se realimenta con e(t) con lo que el error de predicción se elimina del modelo predictivo.
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El modelo de planta en este caso es Gm(s)e-tms. La función de transferencia en bucle cerrado del sistema será:
Como se puede apreciar, en el retraso e-tms el módulo es uno, por lo que no implica ni ganancia ni atenuación, sin embargo su fase es -tm?, por lo tanto, a mayor frecuencia mayor desfase. Al introducirse tanto desfase, el margen de ganancia se reduce, pudiendo llegar a provocar la inestabilidad del sistema.
El modelo predictor de Smith es una estructura de control avanzada muy popular para resolver el problema del control de sistemas con retraso. Fue desarrollado para sistemas continuos, pero es más adecuado para sistemas digitales.
Control Adaptativo Predictivo ExpertoControl Predictivo: Predictor Smith
En el predictor Smith se genera un modelo predictivo que puede ser erróneo. En este caso, el error de modelado será:
y la función de transferencia en bucle cerrado será:
Se observa que el error de modelado afecta al polinomio característico y por lo tanto a la estabilidad en lazo cerrado. Sin embargo, como el término del denominador que depende del error de modelado también se ve afectado por Gc(s), se puede corregir el problema desintonizando el controlador.
El modelo predictivo de Smith necesita de una correcta sintonía. Para ello el controlador puede ser del tipo PI ya que el sistema sin retardo es un bucle rápido, en el que Ti se elige de forma que permita cancelar el polo del proceso y Kc en función de la constante de tiempo que se desee para el proceso.
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Predictor PI: es una simplificación del predictor Smith, aplicable en procesos cuya dinámica es tan rápida frente al retraso que se puede aproximar por una ganancia más un retraso. Se tiene un modelo de planta igual que en el predictor de Smith Gm(s)e-tms, y un modelo “rápido” Gm(s)=Kp
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Control PI predictivo: es otra simplificación del predictor de Smith. Se utiliza en procesos con gran retraso. Es un modelo de primer orden con controlador del tipo PI. Se tiene menos parámetros de sintonía.
Control Adaptativo Predictivo Experto Técnicas Adaptativas
El modelo predictivo es una solución incompleta porque no puede predecir los cambios naturales que se producen en las variables o perturbaciones del entorno de operación de los procesos reales y que modifican su dinámica, por lo tanto, la precisión en la predicción de la salida del proceso a partir de un modelo de parámetros fijos no puede ser garantizada. Esto implica que se hace necesaria la adaptación del modelo predictivo a estas variaciones o perturbaciones para conseguir un control más satisfactorio.
Cuando las variaciones en la dinámica del proceso no son predecibles las técnicas descritas anteriormente no son suficientes, siendo necesario recurrir a la adaptación.
Las técnicas adaptativas surgieron para tratar procesos que variaban en el tiempo o que estaban sometidos a distintas condiciones de operación.
Son varias las técnicas adaptativas, entre las que se encuentran la sintonía automática, la planificación de ganancia y la adaptación.
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Sintonía automática: es ampliamente utilizada en controladores PID. La sintonía automática se puede incorporar en el propio controlador o en dispositivos externos conectados al lazo de control solo durante el proceso de sintonía. En este último caso es necesario facilitar a estos dispositivos características concretas del controlador utilizado, por lo que deben estar diseñados para trabajar con controladores de diversos fabricantes .
Planificación de ganancia: es una técnica utilizada en procesos no lineales, procesos con variaciones en el tiempo o aquellos con condiciones de operación variables. Para su correcta utilización es necesario encontrar una serie de variables medibles que sean representativas del proceso. Esta técnica, combinada con la sintonía automática simplifica enormemente el trabajo de diseño ya que permite medir la variable en diferentes condiciones de operación, almacenar estos valores en una tabla y, mediante la auto sintonía, determinar los parámetros del controlador cuando el sistema funciona en torno a ese punto de operación.
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La sintonía automática es el método por el que el controlador se sintoniza automáticamente o a petición del usuario y se basa en la técnica adaptativa. La mayoría de los controladores comerciales incorporan algún método de sintonía automática (auto-tuning). Este proceso consta de tres pasos:
– Generación de una perturbación que permita conocer la dinámica del proceso.
– Evaluación de la respuesta a esta perturbación .
– Cálculo de los parámetros del controlador .
Se distinguen dos tipos de sintonía según el enfoque utilizado: el enfoque basado en los modelos y el enfoque basado en las reglas.
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Existen diversos métodos de sintonía automática , algunos de ellos son:
Método de la respuesta al salto: Una vez que se activa la función de auto sintonía, el regulador pasa el control a manual y da un salto a la variable manipulada. Según la respuesta que presente el proceso, identifica un modelo de primer orden con retardo, a partir del cual calcula, mediante tablas, la nueva sintonía del regulador.
Método del relé: Si se activa la función de auto sintonía, se conecta un relé en lugar del PID, que provoca oscilaciones controladas en el proceso, de tal forma que permitan la identificación de las características dinámicas del mismo.
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Método EXACT: su nombre deriva de EXact Adaptative Controller Tuning. La sintonía se realiza de forma continua en lazo cerrado. Si el error excede de unos determinados límites, se identifica un nuevo modelo del proceso mediante el reconocimiento de patrones preestablecidos. El regulador calcula la nueva sintonía en tiempo real usando tablas modificadas de Ziegler-Nichols y reglas preestablecidas.
No todos los malos comportamientos de un lazo de control pueden ser corregidos mediante la sintonía automática ya que en muchos casos esos malos comportamientos pueden deberse a un mal diseño, a mala colocación de los sensores/actuadores, desgaste de algunos elementos, etc., por lo que la sintonía automática, si no se utiliza correctamente, puede llevar a resultados erróneos.
Control Adaptativo Predictivo Experto Técnicas Adaptativas
Control adaptativo: la adaptación es el mecanismo por el que el controlador es capaz de cambiar sus parámetros para responder a un cambio en las condiciones de operación o en las características del proceso. Con este método los parámetros del controlador se adaptan automáticamente para actualizarse con respecto a las características cambiantes del proceso.
Control Adaptativo Predictivo Experto Técnicas Adaptativas
Los tipos más comunes de sistemas de control adaptativo son:
Control adaptativo programado: consiste en programar antes de su uso los cambios requeridos en el controlador para que pueda adaptarse a las diferentes situaciones en las que tiene que operar.
Por lo tanto se necesita conocer previamente el proceso y tener una cuantificación de cómo deben cambiarse los parámetros del controlador ante los cambios conocidos en las características del proceso. Una forma de hacerlo sería mediante la construcción de tablas con los valores que deben tomar los parámetros del controlador ante diferentes valores
de las variables de entrada
y salida del sistema .
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