Existe una fuerte necesidad de evaluación y seguimiento automático del rendimiento de los lazos de control. El objetivo de la vigilancia debe ser proporcionar información que pueda ser utilizada para evaluar el estado actual del controlador existente y para ayudar a los ingenieros en control a decidir si es necesario un rediseño (Ju and Chiu, 1998). Cuando se determina que el rendimiento del controlador es insuficiente, es importante determinar si el rendimiento puede estar a un nivel aceptable con la estructura de control existente (Thyagarajan et al., 2003). Con estos objetivos en mente, el siguiente paso es revisar algunas de las técnicas existentes para la evaluación del desempeño de los lazos de control. A continuación se procede a dar una visión general de una serie de técnicas de evaluación del desempeño del controlador. Para ello fueron divididas en cinco categorías según (Vaught and Tippett, 2001) y (O’Connor and O’Dwyer, 2004):
2. Evaluación del desempeño en el dominio de la frecuencia.
3. Control de Mínima Varianza (MVC) como punto de referencia.
4. Las técnicas estadísticas de análisis.
5. Otras técnicas de evaluación, "problemas específicos”.
En cada una de las cinco categorías se describe el trabajo de los diversos autores que fueron consultados.
3.2.1 Evaluación del desempeño en el dominio del tiempo.
Para la evaluación en el dominio del tiempo se tienen en cuenta aspectos de la respuesta transitoria de la planta ante un paso de ahí se derivan los distintos índices y algoritmos tratados por los autores. En su artículo (S.-L. Jamsa-Jounela et al., 2002) presenta un conjunto de índices de desempeño apropiados para la supervisión y evaluación de procesos. Estos índices incluyen IAE, ITAE, tiempo de subida y tiempo de establecimiento. En su trabajo (Swanda and Seborg, 1999) desarrollaron una nueva metodología para evaluar el desempeño de los controladores PI de lazo cerrado con los datos obtenidos ante un paso en la entrada. Este método se basa en dos nuevos índices de rendimiento adimensionales, el tiempo de establecimiento y el IAE. Esta metodología también es aplicable a los controladores PID. En su trabajo (H.-P. Huang and Jeng, 2002) evalúan un sistema de retroalimentación sencillo mediante el análisis del IAE y del tiempo de subida observado en la respuesta del sistema a un paso. Los datos obtenidos se computan, comparando su IAE actual al IAE óptimo esto permite una evaluación del rendimiento del sistema. En el artículo (Stanfelj et al., 1993) se presenta un método para supervisar y diagnosticar el rendimiento de un solo lazo de control de los sistemas basados principalmente en los datos normales de funcionamiento. Este método implica el análisis de la autocorrelación y las correlaciones cruzadas de una serie de tiempo de las variables del lazo de control. En su artículo (Hägglund, 1999) describe un procedimiento para la detección automática de lazos lentos de control obtenidos de controladores sintonizados de forma conservadora. El "índice de inactividad" describe la relación entre los tiempos de correlación positiva y negativa, entre el control y los incrementos de medición de la señal. La atonía del lazo de control se puede determinar utilizando este índice.
3.2.2 Evaluación del desempeño en el dominio de la frecuencia.
De acuerdo a (Belanger and Luyben, 1996) las medidas tradicionales tales como el exceso, el tiempo de subida, la relación de decrecimiento, el tiempo de establecimiento y el ISE son difíciles de traducir en una medida económica para justificar el rediseño del sistema de control, sin embargo, los datos obtenidos en el dominio de la frecuencia se pueden utilizar para proporcionar una medida del rendimiento que se puede traducir en una medida económica.
En su trabajo (Chiang and C. C. Yu, 1993) proponen un procedimiento de control que identifica el valor máximo del módulo logarítmico en un lazo cerrado en dos o tres experimentos con relés de retroalimentación. En su artículo (Ju and Chiu, 1998) presentan un procedimiento de vigilancia que incorpora la FFT (Fast Fourier Transform) como técnica para identificar Lcmax en línea. Este método propuesto aborda algunos de los
problemas en el método presentado por (Chiang and C. C. Yu, 1993) es decir, se requieren demasiadas pruebas de los relés, el rango de búsqueda de la frecuencia se limita al tercer cuadrante, y el valor identificado de Lcmax no se puede utilizar para rediseñar el controlador
en línea.
El método basado en la capacidad para cuantificar la capacidad de control es un método utilizado para incorporar cuantitativamente la economía del control en los métodos convencionales de diseño de estado estacionario. En su artículo (Elliott and Luyben, 1995) esbozan una metodología genérica llamada la capacidad basada en el enfoque económico que puede ser utilizado para comparar o mostrar diseños preliminares de plantas mediante la cuantificación de ambos en cuanto a la economía y la capacidad de control dinámico en estado estacionario. En su artículo (Elliott and Luyben, 1996) analizan la eficacia de la capacidad económica con un enfoque basado en el control de un complejo sistema que consta de un reactor y dos columnas de destilación. En su trabajo (Kendra and Çinar, 1997) discuten un método utilizado para estimar la función de transferencia de lazo cerrado de un sistema excitando la entrada de referencia con una media de cero, una secuencia aleatoria binaria falsa y observando la salida del proceso y el error de la respuesta. La evaluación del rendimiento se basa en la comparación entre las características de la respuesta de frecuencia observadas y de las especificaciones del diseño.
3.2.3 Control de Mínima Varianza (MVC) como punto de referencia.
De acuerdo con (L. Desborough and T. Harris, 1992) y (T. J. Harris, 1989), el Control de Mínima Varianza se considera el control de realimentación óptimo con la condición de que el proceso puede ser descrito por una función de transferencia lineal con perturbación aditiva, este control de referencia puede ser o no ser realizable en la práctica en función de las limitaciones físicas del proceso. Además, vale la pena señalar que esta técnica requiere conocimiento del retardo de tiempo del proceso, que no siempre puede estar disponible. Sin embargo, como punto de referencia, proporciona información útil, como la cantidad de "potencial" que hay para mejorar el rendimiento del controlador. En su artículo (Thornhill et al., 2003b) deja claro que el Control de Mínima Varianza puede requerir una acción excesivamente vigorosa de la variable manipulada y, como resultado, puede conducir a problemas de mantenimiento para los actuadores.
En su artículo (T. J. Harris, 1989) describe cómo una estimación del mejor control posible se puede conseguir mediante el ajuste de una serie de tiempo univariable para procesar los datos recogidos bajo el control de rutina. En su artículo (T. J. Harris et al., 1999) discute algunos de los conceptos asociados con la evaluación de la eficacia de un sistema de control. También se discuten en este trabajo cómo estos conceptos fueron desarrollados inicialmente utilizando una referencia del rendimiento del Control de Mínima Varianza para sistemas SISO. En su artículo (Thornhill et al., 2003b) examina algunos de los factores que influyen en la variación medida en el rendimiento mínimo de un lazo de control SISO. En su artículo (Grimble, 2002) discute el uso de la ley generalizada de Control de Mínima Varianza para la evaluación del desempeño y la evaluación comparativa del lazo de control. En su libro (B. Huang and Sirish L. Shah, 1999) discuten en detalle, parte de la teoría que sustenta el método de MVC. En sus artículos (L. Desborough and T. Harris, 1993, 1992) presentan un índice de rendimiento normalizado para caracterizar el desempeño de los sistemas de control. Este índice proporciona una medida de la proximidad del control al Control de Mínima Varianza. Se discuten aspectos del índice como el dominio del tiempo y las interpretaciones espectrales y un rápido y sencillo método es proporcionado para estimar el índice en línea. En su artículo (Bezergianni and Georgakis, 2000) introducen una versión modificada del índice de Harris en el que se compara el rendimiento a lazo cerrado con el obtenido con la mejor acción teórica del control (Control de Mínima Varianza) y sin
control. En su trabajo (Vishnubhotla et al., 1999) debate acerca de un método de evaluación del desempeño basado en el índice de Harris. El índice resultante, da una indicación del nivel del rendimiento del controlador, y la acción requerida para mejorar el control. En su artículo (Spring, 1996) discute un índice de rendimiento basado en el Control de Mínima Varianza. En su artículo (Ko and T.F. Edgar, 1998) esbozan un esquema para la estimación del rendimiento del control con un PI realizable, medido por la varianza de la salida, en los procesos lineales con tiempo muerto cuando las perturbaciones estocásticas de carga están afectando el proceso. En su trabajo (Horch and Alf J Isaksson, 1999) ponen a consideración una modificación en el índice introducido por (T. J. Harris, 1989). El índice modificado y el índice original son evaluados y comparados con datos de procesos industriales. En su artículo (A.J. Isaksson, 1996) discute la técnica de evaluación comparativa MVC y sugiere un conjunto de índices alternativos. En sus publicaciones (B. Huang, 2002, 1999)analiza algunos de los aspectos relacionados con la ley de Control de Mínima Varianza para procesos lineales variantes en el tiempo y sugiere alternativas que son más adecuadas para los procesos variantes en el tiempo. Por último en su artículo (Joe Qin, 1998) presenta una visión general del estado actual de la supervisión del rendimiento del control utilizando los principios de varianza mínima.
3.2.4 Las técnicas estadísticas de análisis.
De acuerdo con (Cinar and Undey, 1999), el objetivo del control estadístico de procesos (SPM por sus siglas en inglés) es detectar la existencia, magnitud y tiempo de ocurrencia de los cambios que causan la desviación del proceso de su operación deseada.
El método basado en la probabilidad es una técnica útil para evaluar el rendimiento. Este método se puede utilizar para determinar si las características de la respuesta del error son aceptables en base a límites dinámicos especificados del rendimiento. Las características de respuesta dinámica, tales como sobre impulso o el tiempo de estabilización se pueden extraer de la respuesta ante un paso de un modelo, el error estimado en la salida puede ser comparado con la respuesta ante un paso de la respuesta específica deseada para determinar si las características del error en la salida son aceptables.
En su artículo (Tyler and Morari, 1996) proponen un marco en el que un rendimiento aceptable se expresa mediante restricciones de los coeficientes de la respuesta ante un paso
en la entrada de la función de transferencia en lazo cerrado. Por su parte (B. Zhang and Ho, 1989) proponen el uso del método de relación de probabilidad como un medio de análisis de sensibilidad del rendimiento del sistema estocástico. En su trabajo (Q. Li et al., 2003) desarrollan un monitoreo que detecta automáticamente el pobre rendimiento del control. El monitoreo proporciona una medida (Índice de Rendimiento Relativo-RPI) de un lazo de control con respecto a un modelo de referencia de control aceptable. El modelo de referencia simula la variable de salida controlada definida por el usuario, con el lazo de control aceptablemente sintonizado. En artículo (Mosca and Agnoloni, 2003) estudian el problema de la detección temprana de las condiciones para las pérdidas de estabilidad o de acercamientos a la inestabilidad de los sistemas de control de retroalimentación, donde la dinámica de la planta es incierta y posiblemente variable en el tiempo.
3.2.5 Otras técnicas de evaluación, "problemas específicos”.
Esta sección contiene un número de "problemas específicos”, técnicas para la evaluación del control, diferentes de los métodos más generales discutidos en las secciones anteriores. Se abordan los métodos tanto para detectar como diagnosticarlas oscilaciones en los lazos de control. Las técnicas descritas aquí pueden también tener en cuenta los casos especiales de los métodos descritos en las secciones anteriores.
En su artículo (Hägglund, 1995) presenta un sistema de monitoreo del rendimiento de lazo cerrado (CLPM) para detectar oscilaciones. El procedimiento presentado es automático en el sentido de que no se deben especificar parámetros adicionales, distintos de los parámetros normales del controlador. En su trabajo (Thornhill et al., 2003c) discuten un método para determinar la presencia de oscilaciones en rangos de frecuencia seleccionados, basado en la regularidad de los pasos por cero defunciones filtradas de auto-covarianza. En su artículo (Stenman et al., 2003) propone un método basado en modelos para la detección de fricción estática en las válvulas de control. Encontraste con los métodos existentes, solamente se necesita el conocimiento limitado del proceso y no se requiere que el lazo tenga un comportamiento oscilante. En su artículo (Wallen, 1997) propone un sistema integrado de diagnóstico de la válvula y ajuste automático del PID. El objetivo del método es detectar las no linealidades como la fricción y la histéresis ya que pueden disminuir drásticamente el rendimiento de control.
Una vez que se ha detectado una oscilación, el siguiente paso es determinar su causa. En su artículo (Thornhill and Hägglund, 1997) presentan un conjunto de "firmas operativas" que indican la causa de una oscilación. Este método implica el análisis de los conjuntos de datos de los lazos de control. En su trabajo (Horch, 1999b) propone un método simple para el diagnóstico de las oscilaciones en los lazos de control basado en la correlación cruzada entre la variable de control y la salida del lazo. Este método se muestra para identificar correctamente las dos razones más importantes de las oscilaciones en los lazos de control en la industria, es decir, las perturbaciones externas y la fricción estática en las válvulas de control. Por último (Taha et al., 1996) presenta un procedimiento automático para el diagnóstico en línea de las oscilaciones en lazos de control. Este método funciona sin afectar la operación normal de la planta.