Configurador ADEX Manual de UsuarioConfigurador ADEX Sobre este Manual Éste manual describe la...

Adaptive Predictive Expert Control

Configurador ADEX Manual de Usuario

Edición Abril de 2008 UM‐AC‐01‐ES

Configurador ADEX

Tabla de Contenido

Sobre este Manual .......................................................................................................... 3 Organización de este Manual ............................................................................................. 3 Convenios Utilizados en este Manual ................................................................................ 3 Documentación Relacionada.............................................................................................. 3

Parte I

Configuración de Controladores ADEX

Conceptos Básicos .............................................................................................................. 4 Elementos en la Ventana de Configuración ....................................................................... 5 Estado del Controlador....................................................................................................... 7 Configuración de los Dominios AP ..................................................................................... 8 Proceso ........................................................................................................................... 8 Bloque de Control.........................................................................................................10 Mecanismo Adaptativo ................................................................................................12 Bloque Experto .............................................................................................................16 Bloque Conductor.........................................................................................................18 El Operador ADEX .........................................................................................................19

Configuración de Otros dominios AP ...............................................................................21 Configuración de los Dominios Expertos..........................................................................21

Parte II

Elección de las Variables de Estructura

Introducción .....................................................................................................................23 Periodos de Control y Muestreo ......................................................................................23 Nivel de Ruido...................................................................................................................24 Parámetros del Modelo AP...............................................................................................25 Valores Iniciales ................................................................................................................26 Horizonte de Predicción ...................................................................................................28

Referencias ................................................................................................................... 29

Manual de Usuario UM‐AC‐01‐ES 2

Configurador ADEX

Sobre este Manual

Éste manual describe la herramienta gráfica para la configuración de los controladores ADEX, Configurador ADEX, que se instala con todos los sistemas ADEX. Asimismo, se presenta la metodología para la configuración de las denominadas variables de estructura, que determinan comportamiento dinámico de los controladores.

Organización de este Manual

El manual está dividido en dos grandes bloques: Parte I – Configuración de los Controladores ADEX – se describe el Configurador ADEX y los conceptos necesarios para la configuración de los controladores ADEX. Parte II – Elección de las Variables de Estructura – explica cómo seleccionar las variables de estructura más significativas en un controlador ADEX.

Convenios Utilizados en este Manual

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Documentación Relacionada

La siguiente documentación contiene información que le puede ser de ayuda mientras lee este manual: Metodología ADEX


Configurador ADEX

Parte I

Configuración de Controladores ADEX

Conceptos Básicos

Se debe recordar que la estructura de los controladores multivariables MIMO puede entenderse como un conjunto de tantos controladores MISO como número de variables de proceso se deseen controlar. Así, en el proceso de configuración, hay siempre un controlador MISO seleccionado para configurar dentro del controlador ADEX. Un controlador ADEX con una única PV, un único OUT y ninguna, una o varias PERTs, es un caso particular dentro de esta formulación general. ADEX COP asume: El usuario configurará primero un dominio AP para cada uno de los

controladores MISO del controlador ADEX, que será llamado AP‐C (C de “Centrado”). Los límites de estos dominios serán por defecto los de los rangos correspondientes de la PV.

El usuario, más tarde, puede proceder a configurar uno o dos dominios

AP adicionales para cada controlador MISO, llamados AP‐U (U de “Upper”) y AP‐L (L de “Lower”), tomando en cuenta que el establecimiento de sus límites este en relación con los del dominio AP‐C correspondiente. Para hacer esto, el usuario cambiará al Dominio de Configuración deseado e introducirá los límites deseados del dominio.

Los dominios definidos siempre cubrirán los rangos correspondientes de

la PV. Una vez que los dominios AP deseados son configurados, el usuario, si

lo cree oportuno, puede proceder a configurar los dominios Expertos. Para cada uno de los controladores MISO puede ponerse en el rango superior de la PV un dominio EX‐U y en el rango inferior un dominio EX‐L.

Una vez que es completada la configuración de un controlador, el

usuario puede cambiar el estado del controlador a “Ready”, pero siempre puede volver al modo de configuración e introducir modificaciones e incluso borrar un dominio.


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Elementos en la Ventana de Configuración

Cuando se crea un nuevo controlador y se llama al controlador desde la pantalla de la Figura 1 todos sus parámetros tienen sus valores por defecto. El controlador MISO seleccionado por defecto es el que corresponde a la PV1. Esto puede advertirse en la Figura 1, por estar el campo ‘PROCESS VARIABLE’ a 1.

FIGURA 1 ‐ VENTANA DEL CONFIGURADOR DE CONTROLADORES ADEX

En la Figura 1 se aprecia: El "Dominio Actual de la PV1" y el "Dominio de Configuración", que

indican el dominio de operación actual de la PV para el controlador MISO seleccionado y el dominio que el usuario quiere configurar. El recuadro del Dominio de Configuración permite al usuario seleccionar cualquier dominio para configuración.

Los bloques del Controlador ADEX, es decir, Proceso, Bloque Experto,

Bloque Conductor, Bloque de Control y Mecanismo Adaptativo. Los tres primeros bloques muestran los parámetros del controlador MISO


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seleccionado para ser configurados por el usuario. Así, el Bloque de Proceso presenta valores por defecto del tiempo de muestreo (ST) y el periodo de control (CP) del controlador para el dominio AP‐C que se considera en la Figura 1. Estos parámetros del Bloque de Proceso son comunes para todos los controladores MISO, y el controlador ADEX siempre usará los valores configurados por el controlador MISO nº 1. El Bloque Experto muestra los valores del límite superior del dominio (UDL) y el límite inferior del dominio (LDL), y el Bloque Conductor muestra la velocidad máxima de cambio (RC) deseada para la variable del proceso. Por otro lado, cuando el usuario hace clic en los Bloques Experto, Conductor, de Control y del Mecanismo Adaptativo, se muestran las respectivas ventanas de configuración de parámetros. Como se considera en las siguientes secciones, el usuario determinará el funcionamiento deseado de cada uno de los bloques de ADEX reemplazando los valores por defecto anteriormente mencionados y estableciendo convenientemente los parámetros en dichas ventanas de configuración de parámetros. Como se puede observar, los bloques ADEX son representados por botones, que permanecen activos cuando son significativos para el dominio de configuración seleccionado; de otro modo, estarán inactivos y aparecen tenues.

Las principales variables de tiempo real de cada controlador MISO son:

1. la variable de modo (MODE) que, junto con la variable PV del

dominio actual, determina básicamente el tipo de operación del Bloque Experto para el correspondiente sistema MISO;

2. la entrada real (AI) que está siendo aplicada al Proceso, que es

una entrada al Bloque de Control;

3. la consigna (SP) y la variable de proceso deseada (DPV), que son la entrada y salida del Bloque Conductor respectivamente;

4. la salida del Bloque de Control (OUT), la perturbación que actúa

en el proceso (PERT) y la variable filtrada del proceso (FPV), que son las variables de entrada y salida del Proceso respectivamente;

5. la variable del proceso predicha (PPV), que es la salida del

Modelo AP dentro del Mecanismo Adaptativo, y

6. el error de predicción (PE).


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Estas variables muestran un valor para cada uno de los controladores MISO sólo cuando tienen sentido funcional. Las líneas de interrelación del bloque ADEX. Estas líneas aparecen en

negro cuando indican una interrelación de operación activa entre dos bloques del sistema MISO seleccionado; en otro caso, están tenues. Como en la Figura 1 la variable de modo del sistema MISO seleccionado está en “External”, sólo las líneas de la parte superior están activas. En este caso, el Bloque Experto determina la inactividad del Bloque Conductor y del Mecanismo adaptativo. También determina el funcionamiento del Bloque de Control, que produce un OUT igual a AI.

Un botón de Operador ADEX, que si se hace clic sobre él, visualiza un

esquema del Operador, mostrando el valor en tiempo real de las variables de E/S del Operador del controlador ADEX relacionadas con el controlador MISO seleccionado.

Botones de control,

1. [Save] Guarda la configuración del Controlador 2. [Help] Presenta la Ayuda sobre la configuración de

controladores. 3. [Done] Vuelve a la ventana de la lista de controladores de ADEX

COP 2.0 después de guardar la configuración del controlador.

Estado del Controlador

Para indicar la situación de cada controlador en caso de estar configurado para operación e indicar si existen errores en ejecución, etc. se muestra en la ventana de configuración un indicador con el nombre de “CONTROLLER STATUS”, (ver Figura 1) donde se observa el estado actual del controlador. Actuando sobre este control el usuario puede cambiar el estado del controlador. A continuación se describen los cuatro posibles estados que puede mostrar: Configuration ‐ Bajo este estado se está definiendo el funcionamiento

interno del controlador y por tanto no está preparado para poder operar. Es el primer estado que se asigna una vez que se crea el controlador. Este estado está presente durante la configuración del controlador que se realiza usando la utilidad Procesador de la plataforma.


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Ready ‐ Este estado indica que el controlador ya está configurado y preparado para operar. Este estado es fijado por el usuario, seleccionando en el menú sobre “Controller Status” al finalizar la configuración del controlador en la utilidad Procesador.

Operation ‐ El controlador está funcionando como una parte de un

esquema de control y optimización. El estado es asignado automáticamente por ADEX COP, cuando el ECO entra en operación y se establece la comunicación con el sistema local.

Connecting ‐ Estado transitorio en el que se pierde la comunicación del

controlador o del ECO del que forma parte con el sistema local. Es un estado automático asignado por ADEX COP.

Configuración de los Dominios AP

Proceso

Los parámetros que serán configurados dentro del Bloque de Proceso son comunes a todos los controladores MISO y son establecidos en la configuración del controlador MISO para PV1, que determina su valor para todo el controlador ADEX, como se explica a continuación:

FIGURA 2 ‐ BLOQUE DE PROCESO

ST ‐ Periodo de muestreo, que determina la frecuencia con que el controlador ADEX recibirá información desde el esquema donde se inserta, y particularmente los valores actuales de las medidas de la PV del vector de salida del proceso, la señal de perturbación PERT, el vector de entrada real AI y el vector de modo de operación MODE. El periodo de muestreo es el periodo de tiempo de ejecución de los esquemas lógicos que ejecuta el procesador (Cycle Time) y su valor se presenta en segundos en este campo.


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CP ‐ Periodo de Control, que determina el número de periodos de

muestreo entre dos acciones de control generadas por el controlador ADEX cuando funciona bajo control automático. Este valor puede establecerse por teclado o por la lógica del esquema de control. El procedimiento es el siguiente:

1. Si el usuario pone un número positivo bajo esta etiqueta, define

el periodo de control en términos de periodos de tiempo de muestreo.

2. Si el usuario pone un cero bajo esta etiqueta, entonces el

periodo de control será determinado por la lógica y transferido a través del pin del operador correspondiente en el esquema lógico.

3. Si el usuario escribe un número negativo el instante de control

ocurrirá cuando el controlador ADEX detecte un cambio en la señal transferida a través del pin del operador antes mencionado. Tendrá lugar un instante de control si se detecta que no ha habido cambio después de que ha transcurrido el número puesto de periodos de tiempo de muestreo desde el último instante de control.

En general, será conveniente usar periodos de muestreo reducidos para recibir tanta información de la evolución del proceso como sea posible. Esta información puede ser usada para obtener un valor de filtrado conveniente (FPV) del vector de variable del proceso. En un proceso SISO, el periodo de control debería ser seleccionado tomando en cuenta el tiempo de respuesta del proceso, por ejemplo, cerca del 95% del tiempo que le lleva a la variable de proceso (PV) pasar de un nivel estable a otro cuando se aplica un escalón a la señal de mando (OUT). Un valor razonable para el periodo de control puede variar normalmente entre 1/10 y 1/40 del tiempo de respuesta. En este caso, como el tiempo de respuesta del proceso puede ser diferente para diferentes controladores MISO en un mismo controlador, la elección del periodo de control común debe ser el resultado de un compromiso apropiado entre ambas respuestas.


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Bloque de Control

Cuando el usuario hace clic en el botón del Bloque de Control mostrado en la Figura 1, se visualizará la ventana de configuración de parámetros que aparece en la Figura 3. Esta ventana muestra, en el lado izquierdo, una columna de las variables consideradas dentro del Bloque de Control para el controlador MISO seleccionado. En este caso, de arriba a abajo, estas variables son PV, OUT y PERT, donde PV y OUT son las correspondientes variables del proceso y salida del controlador del controlador MISO y PERT es una variable de entrada, que influye en la evolución de la variable del proceso. Cada una de estas variables tiene parámetros asociados, que puede configurar el usuario en esta ventana.

FIGURA 3 ‐ PARÁMETROS DEFINIDOS EN EL BLOQUE DE CONTROL

Los parámetros relacionados con la variable PV de proceso son: LV ‐ Valor inferior, que es el valor de ingeniería más bajo en el rango de

variación medible de la variable del proceso. UV ‐ Valor superior, que es el valor de ingeniería más alto en el rango de

variación considerado arriba. FL ‐ Constante de filtrado. El valor filtrado de la variable del proceso en

el instante de muestreo k, FPV(k), se obtiene al medir el valor PV(k), usando FL de la siguiente manera:

FPV(k) = FL * PV(k) + (1‐FL) * FPV(k‐1) (1)


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Si PV(k) está contaminado con ruido de medida, el uso del filtro de primer orden de (1) produce una mejor estimación de la variable del proceso en el valor de FPV(k). Los parámetros relacionados con la salida OUT del controlador MISO son: LL ‐ Límite inferior para la salida del controlador. UL ‐ Límite superior para la salida del controlador.

IL ‐ Límite incremental para la salida del controlador.

LIL ‐ Límite incremental inferior para la salida del controlador. Este

límite de control reducido se aplica cuando el proceso está en estado estacionario cercano al valor de la consigna.

Es importante observar que el usuario debe prestar especial atención cuando introduzca estos límites, para definir un rango de variación válido para la salida real del controlador, es decir, un rango de variación en el que cualquier cambio en el valor del OUTn tiene un efecto particular y único en la variable PVn del proceso. Los parámetros relacionados con las perturbaciones son iguales a los relacionados con PV, excepto que no existe LIL y se incorpora el siguiente parámetro: SI ‐ Incremento significativo. Incremento en valor absoluto de PERT que

si se produce, liberará al controlador del límite LIL, aunque PV continúe entorno a la consigna. Esto permitirá al controlador responder con una acción de control mayor y así reducir el impacto de PERT pudiera tener sobre PV.

Si se selecciona el controlador MISO correspondiente a otra PV y hacemos clic en el botón del Bloque de Control, se visualizará la misma ventana pero con los valores de este controlador MISO.

¡Atención! Es importante para el usuario seleccionar apropiadamente SI para OUT2, de tal forma que los cambios incrementales de OUT2 bajo este valor absoluto puedan siempre ser compensados por cambios incrementales de OUT1 bajo el valor de LIL.


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Mecanismo Adaptativo

Cuando el usuario hace clic en el botón del Mecanismo Adaptativo mostrado en la Figura 1, si el controlador MISO seleccionado es el que corresponde a la PV1, se mostrará la ventana de configuración de parámetros que se ve en la Figura 4. A la izquierda se muestran los nombres de las variables cuya información se despliega en cada línea de parámetros y estas variables pueden ser seleccionadas mediante un menú desplegable, como aparece en la misma figura.

FIGURA 4 ‐ PARÁMETROS DEL MECANISMO ADAPTATIVO

Esta variables son aquellas consideradas en el modelo adaptativo predictivo, usadas por este controlador MISO en el mecanismo adaptativo, que se define por: PV1(k|k‐1) = A1(k‐1) *∙PV1(k‐1) + A2(k‐1) * PV1(k‐2) + … (2)

…+ B1(k‐1) * OUT1(k‐1‐DP) + B2(k‐1) * OUT1(k‐2‐DP) + … …+ C1(k‐1) * OUT2(k‐1‐DPC) + C2(k‐1) * OUT2(k‐2‐DPC) + … …+ D1(k‐1) * PERT(k‐1‐DPD) + D2(k‐1) * PERT(k‐2‐DPD) + …

PV1(k|k‐1) representa el valor estimado de PV1 en el instante de control k, obtenido del dato del instante anterior k‐1 disponible. Por consiguiente, esta PV1 estimada se obtiene del valor en el instante k‐1 de los parámetros del modelo adaptativo predictivo (AP), Ai, Bi, Ci y Di, y los valores medidos de PV1, OUT1, OUT2 y PERT en el instante k‐1 y en los instantes anteriores. DP, DPC y DPD son enteros que representan el retardo en periodos de control con que un cambio en OUT1, OUT2 y PERT, respectivamente, produce un cambio en el valor de PV1. El PV1(k|k‐1) arriba estimado puede diferir del valor medido de PV1 en el instante k, PV1(k), con un error de estimación ε(k), que viene dado por:


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ε(k) = PV1(k) – PV1(k|k‐1) (3)

Los valores de los parámetros Ai, Bi, Ci y Di en el instante k‐1 son cambiados en el instante k por el mecanismo adaptativo usando funciones de la forma:

Ai(k) = Ai(k‐1) + una función de ε(k) Bi(k) = Bi(k‐1) + una función de ε(k) Ci(k) = Ci(k‐1) + una función de ε(k) Di(k) = Di(k‐1) + una función de ε(k) (4)

Estas funciones están definidas de tal forma que ε(k) tienda rápidamente a cero. Esta adaptación sólo se hace cuando un criterio estadístico indica que ε(k) es debido a error de modelado (falta de precisión de Ai y Bi) y no está causado por ruido en las mediciones o perturbaciones desconocidas. Para más detalles, ver referencias [5].

Los parámetros relacionados con la variable PV1 del proceso, en la ventana mostrada en la Figura 4 son: NL ‐ Nivel de ruido, que indica las máximas variaciones que pueden ser

observadas en la medición de la PV1 mientras OUT1, OUT2 y PERT son constantes y el proceso está en estado estacionario. Estas variaciones pueden ser originadas por el ruido de medición que actúa en PV y también por el efecto dinámico de otras variables, que no son consideradas en el modelo AP.

N ‐ Este parámetro aparece en la fila de los parámetros relacionados

con la PV y en la fila de los parámetros relacionados con OUT. En el primer caso, se refiere al número de parámetros Ai considerados en el modelo AP mientras que en el segundo, al número de parámetros Bi. El resto de los parámetros del modelo AP mostrados, y no considerados, son ignorados (tratados como si fueran 0).

A ‐ Este parámetro es presentado también en la fila de los parámetros

de la PV y de los parámetros de OUT. Este valor puede ser 0 ‐ deshabilitando, o 1‐ habilitando la adaptación de los parámetros Ai o Bi respectivamente.

AG ‐ Ganancia de Adaptación. Al igual que N y A, este parámetro

aparece en la fila de la PV1 y en la de OUT1. Algunas veces es posible mejorar la actuación del mecanismo adaptativo cambiando, sólo por propósitos de adaptación, el rango interno de variación de algunas variables de E/S en el modelo AP. El rango interno de variación se define


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por defecto en porcentaje por encima del rango de variación de la variable definida en las unidades de ingeniería. Este parámetro, AG, en este caso modificará el rango interno de variación de la PV1 o OUT1, dependiendo de la fila considerada, multiplicando el valor por defecto.

A1, A2, A3 Actuales ‐ Los valores de estos parámetros representan el

valor actual de adaptación generado por el mecanismo adaptativo para los correspondientes parámetros Ai del modelo AP. El usuario no los puede modificar, excepto si usa el botón [Current Inicial] en cuyo caso los parámetros cambiarán a los valores guardados en A1, A2 y A3 Initial.

A1, A2, A3 Iniciales ‐ Los valores de estos parámetros son aquellos

introducidos por el usuario para ser los valores iniciales de los parámetros del modelo AP antes de que el Mecanismo Adaptativo haya empezado a funcionar. El usuario puede reemplazarlos en cualquier momento por los valores actuales de los parámetros del modelo AP haciendo clic en el botón [Initial Current]

Los parámetros relacionados la salida OUT1 del controlador MISO seleccionado, en la ventana de la Figura 4, son: DP ‐ Periodos de Retardo. Un cambio en OUT1 requerirá un cierto

número de periodos de control antes de que se empiece a producir un cambio en PV1. Este número de periodos de control menos 1 es lo que se llama periodos de retardo.

N, A, AG ‐ Los valores de estos parámetros tienen significado para

OUT1, y están relacionados con los parámetros Bi en el modelo AP, equivalentes a lo que ya se ha descrito para PV1.

S ‐ Signo de la ganancia estática del proceso, que se hará igual a 1 si la

respuesta del proceso (PV1) frente a un incremento positivo de la salida del controlador (OUT1), es también positivo. En caso opuesto, S se hará igual a ‐1. El valor de S es usado internamente para diagnosticar un resultado indeseable en la actuación actual del Mecanismo Adaptativo. Bajo un funcionamiento satisfactorio del valor actual de los parámetros del modelo AP debería derivarse un valor positivo de la ganancia estática. Para asegurar esto, el valor de S se usa internamente como un multiplicador de los parámetros Bi. Cuando la ganancia estática derivada es negativa, puede tener lugar una re‐inicialización de los parámetros actuales del modelo AP. El usuario puede desactivar este chequeo de seguridad interna poniendo a 0 el valor de S.


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B1 a B6 Actuales ‐ Los valores de estos parámetros representan el valor actual de adaptación generado por el mecanismo adaptativo para los correspondientes parámetros Bi del modelo AP. El usuario no los puede modificar, excepto si usa el botón [Current Inicial] en cuyo caso los parámetros cambiarán a los valores iniciales guardados desde B1 hasta B6.

B1 a B6 Iniciales ‐ Los valores de estos parámetros son aquellos

introducidos por el usuario para ser los valores iniciales de los parámetros Bi del modelo AP antes de que el Mecanismo Adaptativo haya empezado a funcionar. El usuario puede reemplazarlos en cualquier momento por los valores actuales de los parámetros Bi del modelo AP haciendo clic en el botón [Initial Current].

En la Figura 4, mostrada nuevamente abajo para aclarar, todos los parámetros del modelo AP son desplegados.

B

C

D

1 2 3 4 5 6

DPC

DPD

B

C

D

1 2 3 4 5 6

DPC

DPD

PV1(k|k‐1) = A1(k‐1) *∙PV1(k‐1) + A2(k‐1) * PV1(k‐2) + … (2)

…+ B1(k‐1) * OUT1(k‐1‐DP) + B2(k‐1) * OUT1(k‐2‐DP) + … …+ C1(k‐1) * OUT2(k‐1‐DPC) + C2(k‐1) * OUT2(k‐2‐DPC) + …

…+ D1(k‐1) * PERT(k‐1‐DPD) + D2(k‐1) * PERT(k‐2‐DPD) + … Estos parámetros corresponden a los renglones del modelo AP mostrado arriba. El renglón B se refiere a los parámetros relacionados con OUT1, el renglón C a los de OUT2 y el renglón D a los de PERT. Las letras en las columnas son añadidas para ilustrar lo anterior. Las columnas están efectivamente numeradas de 1‐6 (como se muestra en la figura) lo cual significa, por ejemplo, que el parámetro C5 es desplegado


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en la columna 5 de OUT2 y el parámetro D1 es desplegado en la columna 1 de PERT1. Los retardos (DP) son efectivamente DPC para OUT2 y DPD para PERT. El periodo de retardo del renglón B está referido simplemente como DP. AM ‐ Mecanismo Adaptativo. Este parámetro gradúa la velocidad de

adaptación del parámetro del modelo AP, cuyos valores oscilan entre 0, cuando está desactivada, y 1, cuando es máxima. Pueden utilizarse valores intermedios.

Finalmente, es importante observar que si el controlador MISO correspondiente a la PV2 está seleccionado se muestra la misma ventana de la Figura 4, con una interpretación análoga a la explicada pero para la PV2.

Bloque Experto

Las variables que se ven en el Bloque Experto mostrado en la Figura 5, son las siguientes:

FIGURA 5 ‐ BLOQUE EXPERTO

UDL ‐ Límite Superior del Dominio, que define el límite superior para el dominio de configuración seleccionado.

LDL ‐ Límite Inferior del Dominio, que define el límite inferior del

dominio de configuración. Si se hace clic sobre el Bloque Experto aparecerá una pequeña ventana como se muestra en la Figura 6.


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FIGURA 6 ‐ PARÁMETROS DEL BLOQUE EXPERTO

Esta ventana del Bloque Experto permite al usuario configurar los siguientes parámetros: TR ‐ Tiempo de Residencia. El valor introducido en este recuadro

determinará el número de periodos de control que el modelo AP necesita para adquirir los datos mínimos (valores de E/S) suficientes que le permitan empezar el cálculo de una señal de control. El valor por defecto es –1 y en este caso, el sistema, por sí mismo, calculará el número mínimo de periodos de control necesarios para rellenar todas las variables del modelo AP con datos significativos, antes de realizar los cálculos. Si el valor asignado a TR es menor que dicho número mínimo, el modelo AP empezará a hacer cálculos asumiendo que los valores anteriores de las variables del modelo AP, para los que no hay información, son iguales al último valor adquirido correspondiente.

EM ‐ Modo de Entrada. El valor de este parámetro determinará qué

valores tomarán los parámetros actuales del Modelo AP cuando el valor de salida del proceso del MISO seleccionado, pase desde un cierto dominio al dominio de configuración AP seleccionado. Hay 4 opciones diferentes que corresponden a los siguientes valores de EM:

0 – Dejando el valor 0 (valor por defecto), el Bloque Experto reiniciará los parámetros actuales del Modelo AP de acuerdo a los valores iniciales que se les ha asignado para el dominio seleccionado. 1 – El Bloque Experto reiniciará los valores de los parámetros actuales del Modelo AP de acuerdo a los últimos valores actuales que tenían en el dominio seleccionado. 2 – Si la PV viene de un dominio AP, los parámetros actuales del modelo AP mantienen los últimos valores actuales que tenían en dicho dominio AP. Si la PV viene de un dominio EX, los valores de los parámetros actuales se reiniciarán a sus valores iniciales de forma automática.


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3 – Si la PV viene de un dominio AP, los parámetros actuales mantienen los últimos valores actuales que tenían en dicho Dominio AP, como en el punto número 2. Si la PV viene de un dominio EX, la valores de los parámetros actuales también mantendrán sus últimos valores actuales en el dominio seleccionado.

Bloque Conductor

El Bloque Conductor tiene dentro un pequeño recuadro etiquetado “RC”:

FIGURA 7 – BLOQUE CONDUCTOR

RC ‐ Velocidad de Cambio. Este parámetro limita la velocidad de cambio de la trayectoria que conduce la salida del proceso hacia la consigna. El valor de RC se introduce en unidades de ingeniería por periodo de control. La velocidad de cambio puede ser establecida interna o exteriormente por la lógica del esquema de control. El procedimiento es el siguiente:

a) Si el usuario establece un incremento positivo en unidades de ingeniería bajo esta etiqueta, este incremento determinará la velocidad de cambio en el funcionamiento del controlador MISO correspondiente. b) Si el usuario pone un cero bajo esta etiqueta, entonces la velocidad de cambio será determinada por la LOC y transferida a través del pin correspondiente del operador.

Si hacemos clic sobre el botón del Bloque Conductor aparecerá una pequeña ventana como se muestra en la Figura 8:


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FIGURA 8 ‐ PARÁMETROS DEL BLOQUE CONDUCTOR

Esta ventana del Bloque Conductor permite al usuario configurar los siguientes parámetros: PH ‐ Horizonte de Predicción. Este parámetro define el horizonte de

predicción, esto es, los pasos adelante desde el instante de control real, en los que se definirá la trayectoria de la salida deseada del proceso. La correspondiente señal de control del proceso para el OUT del sistema MISO seleccionado se calculará para hacer que la variable del proceso predicha iguale a la variable del proceso deseada al final del horizonte de predicción.

TC ‐ Constante de Tiempo. Este parámetro determina la constante de

tiempo en periodos de control de la trayectoria deseada por defecto generada por el bloque conductor por medio de un modelo de segundo orden con una ganancia estática y un factor de amortiguamiento igual a 1. Por ejemplo, si se elige TC igual a 1.5 periodos de control, la salida deseada del proceso tardará cerca de unos 9 periodos de control en producir un cambio en el valor de la consigna sin sobrepasarla.

El Operador ADEX

Cuando el usuario hace clic en el botón del operador ADEX, se visualizará el Operador ADEX, como se muestra en la Figura 9.

FIGURA 9 ‐ DIAGRAMA DEL OPERADOR ADEX


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Se puede observar tra los valores en tiempo real de las señales de E/S de los controladores MISO seleccionados, en este caso, PV1, SP1, AI1, PERT y OUT1; aunque las etiquetas

d P

Conductor, el Bloque de ontrol y el Mecanismo Adaptativo, aunque la señal del control adaptativo

e el operador ADEX, un modo “Interno Manual” (MAN) y n modo “Consigna Interna” (INT.SP) para el controlador MISO

la nueva consigna del ontrolador.

en la figura que el operador ADEX mues

correspondientes no muestren el número (1) del controlador MISO. De forma similar, si fuera seleccionado el controlador MISO número 2, las variables e E/S mostradas serían V2, SP2, AI2 y OUT2. Adicionalmente, se puede observar que el Operador ADEX muestra dos variables MODE. La variable MODE de la izquierda es la señal recibida desde la LOC, mientras que la de la derecha es una variable de modo interna que el usuario puede poner a “Auto” con un clic de ratón. Cuando se hace esto, el modo de control continúa siendo “External”, es decir, la señal de control OUT sigue a la señal real de entrada AI generada por la LOC, pero se pone en funcionamiento un modo “Control AP Interno”. El modo AP interno hace que el control adaptativo predictivo comience a funcionar, es decir, que funcionen el BloqueCpredictivo no se aplique todavía al proceso. Este modo de funcionamiento interno puede entenderse como un tipo de “entrenamiento” para el control adaptativo predictivo antes de ser aplicado al proceso. Esto permite al usuario observar la evolución de los parámetros y variables del controlador, por ejemplo, para ver cómo el error de predicción PE tiende a cero y los parámetros del modelo AP hacia valores concretos. Así, el usuario puede ajustar fácilmente el sistema antes de aplicar su acción de control adaptativo predictivo y asegurar un funcionamiento apropiado desde el principio mismo. De forma similar, mientras el controlador está bajo modo Auto, el operario podrá activar desduseleccionado. En el primer caso, el operario puede determinar la salida OUT del controlador cambiando desde el teclado el valor correspondiente en el campo OUT del operador ADEX. Bajo este modo, el valor OUT permanecerá constante si el operador no cambia dicho valor. Bajo el modo “Consigna Interna”, el operador puede forzar el valor en el campo consigna interna, que pasará a ser c


Configurador ADEX

Configuración de Otros dominios AP

Una vez terminada la configuración del dominio AP‐C, el usuario puede querer configurar otros dominios AP. Para hacer esto, puede pinchar en la flecha asociada al dominio de configuración mostrado en la ventana del Controlador ADEX y se visualizarán los diferentes dominios adicionales que pueden configurarse, como se muestra en la Figura 2. El usuario puede elegir configurar un nuevo dominio superior (AP‐U) o inferior (AP‐L).

Configuración de los Dominios Expertos

El usuario puede querer configurar un domino experto mientras está en una ventana como la que se ve en la Figura 10. Si el usuario hace clic en el dominio seleccionado, por ejemplo EX‐U, el sistema mostrará una pantalla como la que se ve en la Figura 11. En este caso, sólo permanecen activos tres bloques para configurar: de Proceso, Experto y de Control.

FIGURA 10 ‐ CONFIGURANDO LOS DOMINIOS EXPERTOS


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El valor de los parámetros que se muestran en el Bloque Experto puede ser cambiado por el usuario para determinar los límites superior (UDL) e inferior (LDL) del dominio experto seleccionado. El usuario puede cambiar los valores de tiempo de muestreo (ST) y periodo de control (CP) para el dominio seleccionado en el Bloque de Proceso como se ha explicado previamente .

FIGURA 11 ‐ CONFIGURACIÓN DEL DOMINO EXPERTO

Al seleccionar el Bloque de Control, se visualizan las dos ventanas de configuración de parámetros que muestra la Figura 11. La ventana de la derecha muestra los valores por defecto de las variables de rango y filtro (LV, UV, FL) relacionados con la variable de proceso (PV), y los rangos y límite incremental (LL, UL, IL), relacionados con la variable de salida (OUT) y perturbaciones si las hubiere (PERT). El usuario puede introducir para el dominio seleccionado, los cambios que desee para todos estos parámetros, cuyos significados ya han sido descritos en secciones anteriores. Por otro lado la ventana de la izquierda de la Figura 11 muestra los parámetros del control experto. Se muestra un botón que cambia el número de parámetros con los que trabaja el bloque experto, en una versión reducida sólo se trabaja con tres que significan lo siguiente para el control experto: OUT ‐ Este es el valor de la señal de control que el controlador ADEX

bajo Modo Automático generará primero, mientras la PV seleccionada está en el dominio experto considerado.

INCOUT ‐ Este valor será añadido al valor de señal de control anterior de

forma periódica, si la PV1 no abandona el dominio experto. WT ‐ Este es el valor del periodo de tiempo en segundos que

determinará la acción incremental en la señal de control anteriormente considerada.


Configurador ADEX

Parte II

Elección de las Variables de Estructura

Introducción

Como se ha descrito anteriormente, la metodología ADEX se aplica a procesos multivariables descomponiendo internamente el controlador multivariable ADEX en un conjunto de n controladores ADEX de varias entradas y una salida (multi‐input single‐output – MISO). Esta sección explica como seleccionar las variables de estructura más significativas en un controlador ADEX MISO. De esta forma el criterio de selección presentado aquí es valido tanto para controladores monovariables como multivariables.

Periodos de Control y Muestreo

La elección del período de control de un lazo debe hacerse, si se puede, teniendo en cuenta la dinámica propia del lazo y, particularmente, lo que llamamos tiempo de respuesta del lazo, concepto que está ilustrado en la Figura 12. Consiste en el tiempo que tarda la variable del proceso en entrar en una banda alrededor de su valor de estado estacionario, en respuesta a un escalón de la señal de control OUT. Se supone que el escalón de OUT se produce también desde un estado estacionario del proceso. La mencionada banda es de ±5% del valor del incremento total de PV.

FIGURA 12


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Si el período de control es muy pequeño en relación al tiempo de respuesta, las sucesivas medidas de PV en los distintos instantes de control, aportarán poca información sobre su variación y, en cambio, pueden contener ruido de medida. Por otra parte, los parámetros Bi del modelo AP tienden a cero cuando el período de control disminuye. Ello hace la bondad de la predicción más sensible de lo deseable a errores de identificación y ruidos de medida. Además, los tiempos de retardo de las diferentes entradas del controlador ADEX MISO (DP), que se cuentan en períodos de control pueden aumentar excesivamente. A título indicativo sería recomendable que dichos tiempos de retardo no sobrepasarán los 6 períodos de control. Si el período de control es significativamente grande en relación al tiempo de respuesta, no podremos corregir desviaciones de la PV producidas durante el periodo de control hasta que llegue el siguiente instante de control, lo que puede ser una espera excesiva. Asimismo, si el periodo de control y el de muestreo son iguales, es obvio que perderemos información útil para el control, ya que las variaciones de PV se medirán en intervalos demasiado largos, ignorando lo que pasa en medio de los mismos. Por todo ello, el período de control no es conveniente elegirlo ni muy pequeño ni demasiado grande en relación al tiempo de respuesta. En la práctica, el período de control de un lazo es aconsejable elegirlo entre 1/5 y 1/40 del tiempo de respuesta. El periodo de muestreo se debe elegir según criterios de filtrado, de modo que, si se necesita hacer un fuerte filtrado debido a que la señal PV contiene mucho ruido, el periodo de muestreo debe ser pequeño comparado con el de control.

Nivel de Ruido

Se aconseja fijar el nivel de ruido NL lo más ajustado posible. En caso de duda, es más prudente estimarlo por exceso que por defecto. Pero, debido a que la acción de control se modera cuando PV está dentro de la banda de nivel de ruido, si éste es innecesariamente grande, puede dar lugar a desviaciones innecesarias de PV con respecto al setpoint SP. En general, la variable del proceso PV tenderá a estar en una banda alrededor del setpoint inferior a la banda correspondiente a NL. Además, ante un cambio de consigna SP, la banda de nivel de ruido se centrará en torno al nuevo SP. Si este cambio no es mayor que el nivel de


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ruido, la variable de proceso puede quedar dentro de la mencionada banda y, en consecuencia, moderarse la acción de control.

Parámetros del Modelo AP

Si los tiempos de retardo de las entradas al controlador ADEX MISO están ya determinados, la elección del número de parámetros N para las diferentes señales de entrada/salida del modelo adaptativo predictivo (AP) es sencilla, en la mayor parte de los casos, se hará igual a 2. Sin embargo, si el tiempo de retardo es variable para la señal de control, se elegirá un número de parámetros para esta señal que permita al mecanismo de adaptación de los parámetros BBi seguir de forma adecuada las variaciones del tiempo de retardo. Para ilustrar este procedimiento consideraremos un proceso monovariable en el que el tiempo muerto entre OUT y PV puede variar entre 0 y 2. En este caso, podríamos elegir un modelo predictivo de la forma:

PV(k+1|k) = A1(k) ∙ PV(k) + A2(k) ∙ PV(k‐1) + B1(k) ∙ OUT(k) + BB2(k) ∙ OUT(k‐1) + B3(k) ∙ OUT(k‐2) (1)

Donde N = 2 para PV, N = 3 para OUT y DP = 0. Si el retardo real del proceso (sin considerar el retardo inherente debido a la discretización del proceso) es igual a cero, el mecanismo de adaptación dará a BB1(k) un valor diferente de cero. Sin embargo, si el tiempo de retardo del proceso pasa a ser igual a 2, la identificación paramétrica generará un modelo de la forma:

PV(k+1|k) = A1(k) ∙ PV(k) + A2(k) ∙ PV(k‐1) + 0 ∙ OUT(k) + 0 ∙ OUT(k‐1) + B3(k) ∙ OUT(k‐2) (2)

Es decir, BB1 y B2 se habrán hecho igual a cero, poniendo de relieve que el tiempo de retardo real es igual a 2. Por lo tanto, si queremos por lo menos retener como mínimo un parámetro Bi B que no sea igual a cero, será aconsejable elegir DP y N para OUT de la siguiente manera:

DP = DPmin

N ≥ DPmax ‐ DPmin + 1

Donde DPmin y DPmax son los límites mínimo y máximo, respectivamente, del posible rango de variación del tiempo de retardo.


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En el modelo AP, el número de retardos de OUT sobre PV que hay efectivamente, queda definido por la ecuación:

DP efectivo = DPmin + número de Bi iguales a 0 Por lo tanto, aún en el caso más desfavorable, en el que el número de retardos de OUT sobre PV fuera igual a DPmax., todavía quedaría un parámetro B para identificar la dinámica del proceso. Una consideración análoga es valida para el número de parámetros relacionados con otras señales de entrada de un controlador ADEX MISO.

Valores Iniciales

Consideremos un proceso monovariable descrito por la siguiente ecuación:

PV(k+1) = A1 ∙ PV(k) + A2 ∙ PV(k‐1) + B1 ∙ OUT(k) + B2 ∙ OUT(k‐1) (3)

Suponiendo valores iniciales nulos, a partir de la respuesta permanente PVperm del proceso ante un escalón de control OUTstep, la ganancia del proceso puede calcularse de la siguiente forma:

G = PVperm / OUTstep Dado que la ecuación (3) también será verificada cuando el proceso alcance el estado estacionario, después de la aplicación del escalón en la señal de control, podemos escribir:

PVperm = A1 ∙ PVperm + A2 ∙ PVperm + B1 ∙ OUTstep + B2 ∙ OUTstep + B3 ∙ OUTstep (4)

En consecuencia, dividiendo los dos miembros de (4) por OUTstep:

G = A1 ∙ G + A2 ∙ G + B1 + B2 + B3 (5)

G = Σ Bi / (1 ‐ Σ Ai) (6) La anterior ecuación puede sernos de utilidad para establecer unos valores iniciales o por defecto para los parámetros del modelo que se adapten a la realidad del proceso, teniendo en cuenta la ganancia estimada del mismo.


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A título de ejemplo, consideremos un modelo AP descrito por la siguiente ecuación:

PV(k+1|k) = A1(k) ∙ PV(k) + A2(k) ∙ PV(k‐1) + B1(k) ∙ OUT(k) + BB2(k) ∙ OUT(k‐1) (7)

Si la ganancia de dicho proceso es igual a 1, podríamos tomar como valores por defecto de los parámetros del modelo predictivo los siguientes:

A1(0) = 1 B1(0) = 0.1 A2(0) = ‐0.2 B2(0) = 0.1

De hecho, estos son los valores por defecto que se asignan a los parámetros del modelo AP de los controladores ADEX. Podemos observar que se cumple la ecuación (6) que relaciona la ganancia con los parámetros del modelo:

0.1 + 0.1 G = ___________ 1 ‐ 1 + 0.2

Si la ganancia fuese distinta de 1, bastaría con multiplicar todos los parámetros Bi por el valor de dicha ganancia para obtener un modelo predictivo con la ganancia adecuada. En general, el mecanismo de adaptación encontrará por sí mismo el valor adecuado para los parámetros del modelo AP. Sin embargo, por sentido común y para facilitar la adaptación, es obviamente conveniente inicializar los parámetros del modelo predictivo de forma que éste tenga una ganancia aproximadamente igual a la del proceso, para que las primeras señales de control sean adecuadamente moderadas cuando el modelo no está aún adaptado. Asimismo, la elección razonable de otras variables de estructura, tales como el horizonte de predicción, considerado en la sección siguiente, hace que el rendimiento de los controladores ADEX sea robusto y tolerante a errores de identificación en los parámetros del modelo AP. Como regla general, debe tenerse en cuenta que, en el caso de que el periodo de control tienda hacia cero, los parámetros Bi del proceso también tienden hacia cero. Por otra parte, cuando el periodo de control tiende al periodo de respuesta, el parámetro B1 tiende a la ganancia G, y el resto de parámetros Ai y BBi


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tienden a cero. Esta dependencia del periodo de control por parte del valor de los parámetros es inherente a la representación matemática del proceso y queda puesta de relieve por la identificación que realiza el mecanismo de adaptación de los controladores ADEX. Consideraciones análogas son aplicables para la elección de los valores iniciales o valores por defecto de los parámetros relacionados con otras señales de entrada del modelo AP de un controlador ADEX MISO.

Horizonte de Predicción

Como es sabido cuando el horizonte de predicción PH es pequeño se fuerza a la variable del proceso a seguir la trayectoria deseada, aunque esta difiera de la dinámica propia del proceso. Por otro lado, si PH es más grande se permite más flexibilidad para que la variable del proceso alcance los valores deseados de acuerdo con la propia dinámica del proceso. La elección de PH depende pues del rigor con que queramos que la variable del proceso PV siga paso a paso una determinada trayectoria. Si PH es pequeño o igual a 1 (el mínimo), el posible ruido de medida en PV(k) puede hacer más abrupta la señal de control OUT. Asimismo, es importante considerar que el horizonte de predicción permite compensar las posibles variaciones de tiempos de retardo. Como lo hemos considerado previamente en la sección 4, para un proceso cuyo tiempo de retardo varía entre DPmin y DPmax, la variable de estructura DP debe hacerse igual a DPmin y la diferencia con el tiempo de retardo real del proceso será absorbida por un cierto número de parámetros Bi cuyo valor pasará a ser igual a cero. En este caso el PH debe de elegirse de acuerdo con:

PH ≥ DPmax ‐ DPmin + 1 (8) Ello se debe al hecho de que cuando el tiempo de retardo del proceso se iguala a DPmax , si la desigualdad (8) no se verifica, el instante de predicción k + DP + PH será previo al instante k + DPmax + 1, que es el primer instante en el que la acción de control OUT aplicada en el instante k tendrá un efecto en la variable de salida del proceso PV, y en consecuencia la aplicación de control predictivo no será posible. Una consideración análoga puede hacerse para la elección de PH en relación con otras señales de entrada del modelo AP de controladores ADEX MISO con tiempos de retardo variables.


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Referencias

[1] J.M. Martín Sánchez, “Adaptive Predictive Expert Control System”, International Patent Application. Application Nº: PCT/US00/17836, Filling Date: June 28, 2000. [2] J.M. Martín Sánchez, “Adaptive Predictive Control System”, USA Patent Nº 4.197.576, 1976. [3] J.M. Martín Sánchez, “Adaptive Predictive Control System” (CIP), European Patent, Nº 0037579, 1980. [4] J.M. Martín Sánchez y J. Rodellar, “Adaptive Predictive Control: From de Concepts to Plant Optimization”, Prentice Hall Internacional, 1996.


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