ES2315933T3 - Sistema de regulacion. - Google Patents

Abstract

Sistema de regulación (1, 1'') con una pluralidad de módulos reguladores (4, 4'') conectados en paralelo por el lado de los datos, que por el lado de salida están unidos a través de un dispositivo de conmutación (6) con una salida de señal común (8), caracterizado porque antes del dispositivo de conmutación (6) están conectados por el lado de los datos una pluralidad de elementos diferenciadores (12) asignados cada uno a uno de los módulos reguladores (4, 4''), y a continuación está conectado un elemento integrador (14).

Description

Sistema de regulación.

La invención se refiere a un sistema de regulación con una pluralidad de módulos reguladores conectados en paralelo por el lado de los datos, que por el lado de la salida están unidos a través de un dispositivo de conmutación a una salida de señal común.

En los sistemas de regulación industriales, está prevista generalmente una pluralidad de módulos reguladores conectados en paralelo por el lado de los datos para facilitar una señal de regulación, por ejemplo por motivos de redundancia o de seguridad o también para facilitar una pluralidad de procesos de control o regulación alternativos. Estos módulos reguladores están unidos por el lado de salida a través de un dispositivo de conmutación a una salida de señal común, pudiendo efectuar la unidad de conmutación la elección selectiva de uno de los módulos reguladores en cada caso para facilitar la señal de salida. Según el desarrollo del proceso está especificado generalmente cuál de los módulos reguladores deberá estar precisamente activo en un estado de funcionamiento respectivo. Incluso los sistemas de regulación más sencillos suelen presentar como mínimo dos de esta clase de canales de regulación predeterminados por módulos reguladores alternativos o que se puedan seleccionar apropiadamente, pudiendo distinguirse por ejemplo entre los dos regímenes de funcionamiento de "regulación automática" y de "regulación manual". En estos casos, como alternativa a la regulación automatizada, y mediante la elección apropiada del canal de "regulación manual" (denominado también control o regulación "open-loop") es posible la especificación de un valor mediante una intervención selectiva desde el exterior. Además de esto dentro de un sistema de regulación puede estar prevista una gran multitud de canales de regulación alternativos que se pueden diferenciar por ejemplo en cuanto a los desarrollos internos del proceso o a unos parámetros de trabajo especificados individualmente. Por último, incluso puede estar prevista la conmutación entre módulos reguladores que regulen cada uno unas variables de proceso
diferentes.

El documento US 2004/046522 describe un sistema de regulación con una pluralidad de módulos reguladores conectados en paralelo por el lado de los datos, que por el lado de salida están unidos a una salida de señal común a través de un dispositivo de conmutación.

En un sistema de regulación de esta clase, al conmutar entre diferentes regímenes de funcionamiento, se realiza mediante el accionamiento del dispositivo conmutador la separación respecto a la salida de señal por el lado de la señal del módulo regulador que esté precisamente activo, y la subsiguiente unión respecto a la salida de señal por el lado de la señal, respecto a la salida de señal. Pero por razones de trabajo, al efectuar una conmutación de esta clase no se puede asegurar siempre que el módulo regulador que se trata de desconectar y el nuevo módulo regulador que se trata de conectar presenten en el momento de la conmutación exactamente la misma señal de salida, ya que debido a la posible diversidad de los procesos que se desarrollan en los módulos reguladores pueden llegar a surgir pequeñas diferencias de señal. En esta clase de diferencias de señal pueden llegar a ser incluso relativamente grandes, ya que el nuevo módulo regulador que se trata de conectar no se encontraba antes del momento de la conmutación en un circuito de regulación cerrado, y que por este motivo tiene posiblemente la tendencia de "escapar" a una posición de tope. Las variaciones de señal aparecen con mayor motivo si los módulos reguladores tienen asignadas magnitudes de regulación diferentes. Si al efectuar la conmutación surge una desviación de señal de esta clase entre los módulos reguladores, la señal de salida sufre durante la conmutación lo que se llama un salto de señal. Con vistas a las necesidades de trabajo o posibles criterios de estabilidad, esta clase de saltos de señal pueden ser verdaderamente inde-
seables.

Para evitar que se produzca un salto de señal de esta clase al efectuar la conmutación entre diferentes módulos reguladores, permitiendo lo que se llama una "conmutación sin choques", que asegure una fiabilidad técnica de regulación notablemente superior del sistema de regulación, pueden estar previstos por principio los conceptos del relevo o de la compensación. En el caso de relevo, no se conmutan las salidas de los distintos módulos reguladores, sino que se retransmiten al canal de salida a través de un elemento de mínima o un elemento de máxima. En un circuito de esta clase, la conmutación tiene lugar siempre sin impactos. La aplicación de un concepto de esta clase está sin embargo muy limitado comparativamente, ya que el módulo de mínima o el módulo de máxima en la salida de la señal define totalmente la regla de conmutación. No resulta posible la realización de una conmutación según una regla cualquiera deseada, que no sea ni mínima ni máxima. Además, el concepto de relevo resulta demasiado lento en la mayoría de los casos de aplicaciones técnicas de regulación, ya que el módulo regulador "que realiza el relevo" ha de recorrer un "trayecto" hasta que pueda tener lugar el relevo. Por este motivo, no está muy extendido el concepto de relevo precisamente en las aplicaciones industriales de los sistemas de regulación.

Alternativamente se puede emplear la llamada "compensación" que permite efectuar una conmutación de acuerdo con un criterio cualquiera, formado por la llamada "lógica de conmutación". En un conexionado de esta clase se puede conectar en caso de necesidad la señal de salida de un primer módulo regulador como señal de entrada adicional a otro módulo regulador alternativo que ahora hay que conmutar, y que será tenido en cuenta en éste. En un conexionado de esta clase, se necesita sin embargo la conexión alternativa opcional de todos los módulos reguladores con las señales de salida de todos los demás módulos reguladores. Un concepto de esta clase presenta una complejidad especialmente alta, precisamente al conectar en paralelo una pluralidad de módulos reguladores, lo que puede dar lugar a un gasto especialmente alto de fabricación o proyecto.

Precisamente al efectuar la realización en técnica analógica con el concepto de compensación, esto trae consigo el inconveniente de que durante la conmutación se emite brevemente una "señal cero". Por lo tanto una conmutación de este tipo no está exenta de choques en el sentido más riguroso, al menos en aplicación analógica.

En cambio, en una aplicación alternativa en versión digital cada uno de los circuitos de compensación representa un bucle de señal, que en técnica digital no puede estar exenta de tiempo. Esta clase de bucles de señal adolecen de inconvenientes ya que especialmente al proyectarlos no solamente es preciso tener en cuenta que las conexiones sean correctas, sino también la variación en el tiempo de las señales de compensación. Este problema puede llegar a dificultarse aún más si se utilizan una pluralidad de procesadores que marchen de modo asíncrono entre sí. Precisamente en el caso de sistemas de regulación complejos este concepto por lo tanto sólo es utilizable de modo limitado.

La invención tiene por lo tanto como objetivo presentar un sistema de regulación de la clase antes citada mediante el cual se pueda efectuar con medios especialmente sencillos y de forma segura la conmutación sin choques entre los distintos módulos reguladores. Por otra parte, se trata de describir un procedimiento especialmente adecuado para el funcionamiento de un sistema de regulación de esta clase.

En cuanto al sistema de regulación, este objetivo se resuelve conforme a la invención, teniendo el dispositivo de conmutación conectado previamente por el lado de datos una pluralidad de elementos diferenciadores correspondientes cada uno a uno de los módulos reguladores, y teniendo conectado después un elemento de integración.

El sistema de regulación queda por lo tanto diseñado para que las salidas de los distintos módulos reguladores primeramente se diferencien en función del tiempo, después se conmuten y luego se integren a lo largo del tiempo para obtener la señal de salida. Para ello la invención parte de la consideración de que para obtener un concepto que se mantenga lo más sencillo posible para una conmutación sin choques, se debería evitar una compensación transversal permanente entre los distintos módulos reguladores con el fin de evitar saltos de señal. En cambio las señales de salida de los módulos reguladores se deberían tratar de tal modo que en lugar de las señales de salida propiamente dichas, posiblemente afectadas de desviaciones o saltos individuales, se debería utilizar más bien una sistemática común conectada en paralelo a todos los módulos reguladores. Para ello se forma a partir de las señales de salida suministradas por los módulos reguladores primeramente la derivada en el tiempo, que debido a la sistemática común para todos los canales del regulador debería presentar un comportamiento comparable. Basándose en esta derivada en el tiempo de las señales propiamente dichas se puede efectuar entonces la conmutación, restableciéndose nuevamente la señal de salida propiamente dicha al formar después de la conmutación la integral en el tiempo. Los efectos de la diferenciación y de la subsiguiente integración se anulan esencialmente entre sí, no sufriendo la señal de salida ningún salto durante la conmutación, ya que no se conmuta la señal propiamente dicha sino su derivada. En una conmutación de esta clase las desviaciones entre los distintos canales de regulación o de los reguladores, pueden dar lugar en todo caso a una discontinuidad en la derivada en el tiempo de la señal de salida, pero que no va acompañada de una discontinuidad en la señal propiamente dicha.

En el diseño del sistema de regulación cada módulo regulador puede tener asignado un elemento diferenciador individual que se mantiene por separado. Pero ventajosamente el elemento diferenciador o cada uno de los elementos diferenciadores está integrado en el módulo regulador que le corresponde respectivamente. De este modo el módulo regulador incluido el elemento diferenciador que le corresponde se puede utilizar a modo de conjunto modular como componente independiente y en caso de necesidad se puede unir directamente con el dispositivo conmutador subsiguiente.

Precisamente para el caso de emplearse como módulo regulador un regulador PI (regulador proporcional-integral) que de por sí está muy extendido, un módulo regulador dotado de un elemento diferenciador puede comprender ventajosamente por una parte una rama proporcional dotada de un elemento proporcional y por otra parte una rama diferencial dotada de un elemento diferenciador, que por el lado de salida estén unidos a un elemento sumador común. En una realización de esta clase se forma por lo tanto en el interior del módulo regulador la suma de un componente proporcional y un componente diferencial de la señal de regulación. Al efectuar la integración de la señal subsiguiente a la conmutación, se forma por lo tanto como señal de salida una señal con un componente integral (formado a partir del componente proporcional antes obtenido) y de un componente proporcional (formado a partir del componente diferencial antes determinado), de modo que se mantienen las propiedades convencionales de la señal de salida de un regulador PI.

En cuanto al procedimiento, el objetivo citado se resuelve introduciendo en el dispositivo de conmutación como señal de entrada una señal diferencial característica de la derivada en el tiempo de una señal de salida de un módulo regulador, formando con ésta por el lado de salida del dispositivo de conmutación y por integración en el tiempo la señal de salida del sistema de regulación.

La señal diferencial se genera ventajosamente mediante la derivada en el tiempo de la señal de salida de un módulo regulador. En otra realización ventajosa alternativa se forma la señal diferencial mediante la suma de un primer componente de señal formado por la derivada en el tiempo de una señal de regulación y un segundo componente de señal proporcional a la señal del regulador, especialmente para la reproducción de un regulador PI.

Las ventajas obtenidas con la invención consisten especialmente en que mediante la diferenciación en el tiempo de las señales del regulador con subsiguiente integración en el tiempo, se produce como efecto final una señal de salida esencialmente no modificada, en la que se anulan entre sí la diferenciación y la integración. Pero debido a la conmutación conectada entre la diferenciación en el tiempo y la integración en el tiempo, se evita con seguridad que durante la conmutación se produzca un salto de señal, puesto que no se conmuta la señal sino su derivada. De este modo resulta posible con medios especialmente sencillos y sin complejidad adicional en la interconexión de los módulos reguladores, una conmutación efectivamente exenta de choques entre los módulos reguladores. Debido a que el concepto se mantiene relativamente simple no hay otras limitaciones en cuanto al tipo de los módulos reguladores empleados o de los criterios de conmutación aplicados. En particular no es necesario equipar los módulos reguladores con una función de compensación. Además, en la estructura esencialmente rápida del regulador no se necesitan bucles de señal en el circuito, pudiendo emplearse como módulos reguladores unos reguladores lineales, no lineales y/o adaptivos cualesquiera.

A continuación se describe con mayor detalle un ejemplo de realización de la invención sirviéndose de un dibujo. En éste puede verse:

Figura 1 un sistema de regulación,

Figura 2a, 2b en cada una de éstas esquemáticamente un módulo regulador, y

Figura 3 una forma de realización alternativa de un sistema de regulación.

En todas las Figuras, las piezas iguales llevan las mismas referencias.

El sistema de regulación 1 según la Figura 1 comprende a modo de versión multicanal en la que una pluralidad de canales de regulación 2 están conectados en paralelo por el lado de los datos, una pluralidad de módulos reguladores 4 que están conectados en paralelo por el lado de los datos y que por el lado de salida están unidos a una salida de señal común 8 a través de un dispositivo de conmutación 6. Para ello el dispositivo de conmutación 6 está pilotado por una lógica de conmutación 10. Por su estructura multicanal, el sistema de regulación resulta especialmente adecuado para aplicaciones industriales en las que según necesidad y/o según la clase de trabajo tenga que estar activa alternativamente cada vez uno de los módulos reguladores 4. Para ello podría estar previsto por ejemplo que uno de los módulos reguladores 4 esté diseñado a modo de una regulación manual (denominado también control o regulación en bucle abierto), para poder efectuar una intervención manual desde el exterior, pudiendo estar realizados los restantes módulos reguladores 4 para una conducción automatizada del proceso, eventualmente de modelos de desarrollo que difieran entre sí o similares.

El sistema regulador 1 está diseñado para ofrecer una seguridad de funcionamiento especialmente elevada y una alta estabilidad de trabajo. Para ello se ha tenido en cuenta especialmente la circunstancia de que debido a sus propiedades intrínsecas o debido a diferentes magnitudes de regulación y funciones de regulación o por el hecho de que los reguladores que no estén activos tengan una tendencia a "escaparse", los módulos reguladores 4 podrían generar en sus salidas unas señales de salida más o menos diferenciadas entre sí. Por este motivo, al efectuar la conmutación directa entre los distintos canales del regulador 2 o reguladores podrían llegar a producirse saltos de señal más o menos intensos en la salida de la señal 8. Con el fin de evitar esta clase de saltos de señal indeseables que podrían dar lugar por ejemplo a la excitación de oscilaciones indeseables o inadmisibles en el circuito de regulación, el sistema de regulación 1 está diseñado para una así denominada conmutación sin choques, en la que deberán estar excluidos precisamente esta clase de saltos de señal.

Para conseguir esto con unos medios especialmente sencillos, en el sistema de regulación cada canal del regulador 2 está dotado de un elemento diferenciador 12 que está asignado al respectivo módulo del regulador 4 y que en cuanto a los datos está conectado entre éstos y el dispositivo de conmutación 6. Adicionalmente el dispositivo conmutador 6 lleva conectado por el lado de los datos a continuación un elemento integrador 14.

En este circuito, se realiza por lo tanto durante el funcionamiento del sistema de regulación 1, primero una diferenciación en el tiempo de la señal de salida RA emitida por el respectivo módulo del regulador 4 en su correspondiente elemento diferenciador 12 y se convierte de este modo en una señal diferencial D. La señal diferencial D se aplica a continuación al dispositivo de conmutación 6, donde según necesidad puede efectuarse una conmutación entre los distintos canales del regulador 2. El dispositivo de conmutación 6 retransmite para ello por el lado de salida la señal diferencial D que le ha sido alimentada desde el respectivo canal del regulador 2 seleccionado como activo. Esta señal diferencial retransmitida D se integra a continuación a lo largo del tiempo en el elemento integrador 14 conectado a continuación. El resultado de esta operación se aplica como señal de salida A, a la salida de señal 8. Con esta forma de trabajo del sistema de regulación 1, la diferenciación y subsiguiente integración de la señal de salida RA del respectivo módulo del regulador 4 se anulan entre sí, de modo que la señal de salida A generada por el sistema de regulación 1 se mantiene esencialmente invariable debido a estas operaciones. Ahora bien, la conmutación entre los canales del regulador 2 no tiene lugar en el dispositivo de conmutación 6 en la señal de salida RA propiamente dicha de los módulos del regulador 4, sino en su derivada en el tiempo representada por la señal diferencial D. De este modo, las desviaciones en las señales de salida RA de los módulos del regulador 4 no repercuten entre sí, y la señal de salida A no sufre ningún salto durante la conmutación. La conmutación por lo tanto está exenta de choque en el sentido estricto.

El concepto basado en la conmutación de la derivada en el tiempo de la señal de salida RA de los módulos reguladores 4, con subsiguiente integración en el tiempo realizada después de la conmutación, no plantea en principio ninguna clase de limitaciones en cuanto al tipo de regulador empleado o de los criterios de conmutación. En particular no es necesario que los módulos reguladores 4 que se tratan de conmutar tengan que disponer de funciones de compensación o similares. En particular, se pueden conmutar sin impactos con reducido gasto operativo y de diseño los reguladores muy difundidos del tipo P (proporcional), I (integral), PI, PD (proporcional-diferencial), PID, así como cualesquiera reguladores lineales, no lineales o adaptivos, sin que se requieran bucles de señal. Además, los reguladores entre los cuales se conmuta, ni siquiera tienen que ser del mismo tipo. Más bien podrían incluso regular cada uno diferentes magnitudes de proceso o de regulación. Por ejemplo, uno de los reguladores podría ser un regulador de intensidad de corriente y otro regulador un regulador de tensión.

Los módulos reguladores 4 pueden ser reguladores PI (proporcional-integral), tal como muestra de forma esquemática y a título de ejemplo la Figura 2a. El módulo regulador 4 comprende un canal proporcional 20 y un canal integral 22, conectado en paralelo con aquél por el lado de los datos, en el cual va conectado un elemento de integración 24. Por el lado de salida, el canal proporcional 20 y el canal integral 22 están unidos a un elemento sumador común 26, en el que se forma la suma de las dos señales parciales. A continuación de éste va conectado el elemento diferenciador 12, que a su vez está unido por el lado de salida con el dispositivo de conmutación 6, tal como se indica por el punto de conmutación 28. En el caso del correspondiente ajuste "activo" en el dispositivo de conmutación 6, el canal del regulador 2 formado de este modo está unido al elemento de integración 14 conectado a continuación. En la disposición según la Figura 2a, un módulo regulador realizado en construcción PI convencional, está unido con un elemento diferenciador 12, mantenido esencialmente por separado, para formar el respectivo canal del regulador 2.

Se puede conseguir un sistema equivalente en cuanto a sus propiedades técnicas de regulación, integrando el elemento diferenciador 12 en su respectivo módulo de regulador 4 correspondiente. Un ejemplo de realización de una disposición de este tipo mediante un regulador PI está representado en la Figura 2b. El módulo regulador 4 equipado con el elemento diferenciador 12 comprende por una parte una rama proporcional 32 equipada con un elemento proporcional 30 y por otra parte una rama diferencial 34 equipada con el elemento diferenciador 12. La rama proporcional 32 y la rama diferencial 34 están unidas por el lado de salida con un elemento sumador común 36. En esta realización, la señal diferencial D característica de la derivada en el tiempo de la señal de salida RA del módulo regulador 4 se forma por lo tanto mediante la suma de un primer elemento de señal S1 formado por la derivada en el tiempo de la señal del regulador, y un segundo componente de señal S2 proporcional a la señal del regulador. La señal diferencial D emitida de este modo se conduce de acuerdo con la realización antes descrita al dispositivo conmutador 6 que caracteriza el punto de conmutación 28, y se retransmite en función de las necesidades y del trabajo al elemento integrador 14 conectado a continuación.

En la Figura 3 se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo regulador 1' formado a base de tales módulos reguladores 4' dotados ya de un elemento diferenciador integrado. Conservando el concepto de que la conmutación entre los canales del regulador o los reguladores debería efectuarse con relación a la derivada de la señal del regulador propiamente dicha, estando prevista a continuación la integración en el tiempo, en esta forma de realización los módulos reguladores que suministran cualquier caso como señal de salida una señal diferencial D, están unidos directamente al dispositivo de conmutación 6. A continuación de éste está conectado a su vez el elemento integrador 14 para formar la señal de salida A propiamente dicha.

Lista de referencias

1, 1'

Sistema de regulación

2

Canales de regulación

4, 4'

Módulos reguladores

6

Dispositivo de conmutación

8

Salida de la señal

10

Lógica de conmutación

12

Elemento diferenciador

14

Elemento de integración

20

Canal proporcional

22

Canal integral

24

Elemento de integración

26

Elemento sumador

28

Punto de conmutación

30

Elemento proporcional

32

Ramal proporcional

34

Ramal diferencial

36

Elemento sumador

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A

Señal de salida

D

Señal diferencial

RA

Señal de salida

S1, S2

Componentes de la señal

Claims (6)

1. Sistema de regulación (1, 1') con una pluralidad de módulos reguladores (4, 4') conectados en paralelo por el lado de los datos, que por el lado de salida están unidos a través de un dispositivo de conmutación (6) con una salida de señal común (8), caracterizado porque antes del dispositivo de conmutación (6) están conectados por el lado de los datos una pluralidad de elementos diferenciadores (12) asignados cada uno a uno de los módulos reguladores (4, 4'), y a continuación está conectado un elemento integrador (14).

2. Sistema de regulación (1, 1') según la reivindicación 1, en el que uno o cada uno de los elementos diferenciadores (12) está integrado en el módulo regulador (4, 4') que le corresponde en cada caso.

3. Sistema de regulación (1, 1') según la reivindicación 2, en el que por lo menos un módulo regulador (4, 4') dotado de un elemento diferenciador (12) comprende por una parte un ramal proporcional (32) equipado con un elemento proporcional (30), y por otra parte un ramal diferencial equipado con un elemento diferenciador (12), que por el lado de salida están unidos a un elemento sumador común (26).

4. Procedimiento para el funcionamiento de un sistema de regulación (1, 1') con una pluralidad de módulos reguladores (4, 4') conectados en paralelo por el lado de los datos, que por el lado de salida están unidos a través de un dispositivo de conmutación (6) con una salida de señal común (8), donde al dispositivo de conmutación (6) se le alimenta como señal de entrada con una señal diferencial (D) característica de la derivada en el tiempo de una señal de salida (A, RA) de un módulo regulador (4, 4'), de la cual se genera por el lado de salida del dispositivo de conmutación (6) por integración en el tiempo, la señal de salida (A) del sistema de regulación (1, 1').

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el cual se genera la señal diferencial (D) derivando en el tiempo la señal de salida (RA) de un módulo regulador (4, 4').

6. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que la señal diferencial (D) se forma mediante la suma de un primer componente de señal (S1) formado por la derivada en el tiempo de una señal del regulador, y un segundo componente de señal (S2) proporcional a la señal del regulador.