PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
MAESTRÍA EN INGENIER INGENIERÍA ÍA DE CONTROL CONTROL Y AUTOMATIZA A UTOMATIZACIÓN CIÓN
PROYECTO 1:
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR SUPERIOR DE UNA UNA CALDERA CAL DERA DE TUBOS TUB OS DE AGUA
Curso Cur so Nombre Nomb re Código Códi go Profes Pro fesor or
: : : :
CONTROL CONTROL DE PROCESOS PROCESOS ESPINAL ESPINAL SANTOS, SANTOS, Enver 201438 20143864 64 RIVAS RIVAS PEREZ, PEREZ, Raul Lima, 10 de Mayo 2015
CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
INDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN EN EL CONTROL DE CALDERAS INDUSTRIALES .............................................. 3 OBJETIVOS DEL PROYECTO ........................................................... .................................................................................................................. ....................................................... 4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: .................................................................................................... 4 INSTRUMENTACIÓN A USAR: ............................................................................................................... 6 SENSORES ........................................................................................................................ ...................... 6 ACTUADORES ..................................................................................................... .................................. 6 DIAGRAMA FUNCIONAL DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA ............................................................................................ ........................................................................................... . 7 SELECCIÓN Y AJUSTE DE MEDIOS TÉCNICOS TÉ CNICOS DE AUTOMATIZACIÓN, INCLUIDO EL CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS PARÁMET ROS DEL CONTROLADOR ................................................................. 8 CONTROL DE NIVEL EN DOMO SUPERIOR CON 1 SEÑAL: ......................................................... 8 AJUSTE TEORICO............................................ TEORICO.............................................................................................................. ........................................................................ ...... 9 AJUSTE FINO .......................................................................................................... ........................................................................................................................ .............. 11 CONTROL DE NIVEL EN DOMO D OMO SUPERIOR CON 2 SEÑALES.................................................... SE ÑALES.................................................... 12 AJUSTE TEÓRICO- CONTROLADOR CON 2 SEÑALES ............................................................ ............................................................ 13 AJUSTE FINO – CONTROLADOR CON 2 SEÑALES............................................................... ................................................................. .. 14 CONTROL DE NIVEL EN DOMO D OMO SUPERIOR CON 3 SEÑALES.................................................... SE ÑALES.................................................... 15 DISEÑO TEORICO CONTROL– CONTROLADOR 3 SEÑALES .................................................. .................................................. 16 DISEÑO AJUSTE FINO – CONTROLADOR 3 SEÑALES........................................................ ............................................................ .... 17 DIAGRAMA DE BLOQUES DE CADA VARIANTE DEL CONTROL DE NIVEL ............................. 20 DIAGRAMA DE BLOQUES B LOQUES – CONTROL CON 1 SEÑAL................................................................ 20 DIAGRAMA DE BLOQUES – CONTROL CON 2 SEÑALES ........................................................... 21 DIAGRAMA DE BOQUES – CONTROL CON 3 SEÑALES ............................................................. ....................................... ...................... 21 RESULTADOS DE SIMULACIÓN DE CADA VARIANTE DEL CONTROL DE NIVEL NIVE L .................. 21 RESULTADOS CONTROL – CON 1 SEÑAL ..................................................................................... ..................................................... ................................ 22 RESULTADOS CONTROL – CON 2 SEÑAL ..................................................................................... ..................................................... ................................ 23 RESULTADOS CONTROL – CON 3 SEÑALES................................................. SEÑALES................................................................................. ................................ 24 CONCLUSIONES.......................................................... ............................................................................................................................ ............................................................................ .......... 25 BIBLIOGRAFIA ............................................................. ............................................................................................................................... ........................................................................... ......... 25
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
INTRODUCCIÓN EN EL CONTROL DE CALDERAS INDUSTRIALES Las calderas industriales son máquinas usadas para transferir energía proveniente de la combustión de algún combustible, al agua; la cual al absorber esta energía pasa a su estado de vapor. Este vapor resultante es utilizado para multitud de aplicaciones generalmente para la generación eléctrica mediante la transformación: energía calorífica – energía mecánica – energía eléctrica o para la transferencia de calor en los procesos industriales, se distinguen 2 tipos de calderas: tubos de agua (acuotubulares), tubos de fuego (pirotubulares9, diferenciándose por el diseño estructural y las aplicaciones de cada uno.
a) Caldera Tubos de Fuego.
b) Caldera de Tubos de Agua
Para el control de las calderas industriales de tubos de agua, principalmente usadas para la generación de energía eléctrica, generalmente se consideran como variables de entrada o variables manipuladas al flujo de aire, combustible y el flujo de agua; y como variables de salida o variables controladas la presión de vapor y el nivel de agua en el domo superior. Con esto en cuenta, existen en el mercado varias soluciones que comprenden sensores de presión, sensor de nivel, controladores de aire/combustible, etc. El flujo de vapor representa el mayor porcentaje de salida de calor del generador por lo que cambios en la demanda afectan significativamente el control de la presión. Para ello se utiliza un compensador feedforward que sirve para disminuir el efecto de las perturbaciones por cambios en la demanda.
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
Otro tipo de perturbación que se observa frecuentemente es cuando existen perturbaciones en el flujo de agua para el sistema de control de nivel. La solución para esto es controlar el flujo con un controlador de flujo que es interno al lazo de control principal de nivel, el cual comúnmente se le llama sistema de control en cascada (Fig. 1.5). Por otro lado el flujo de aire es controlado a partir del control del flujo de combustible, este sistema recibe el nombre de control de relación aire/ combustible.
OBJETIVOS DEL PROYECTO •
• •
Diseñar un sistema de control basado en tres variables (1 señal, 2 señales, 3 señales) para el efectivo control de nivel en el domo superior de una caldera de tubos de agua. Desarrollar el ajuste teórico en cada uno de los sistemas de control diseñados. Evaluar el comportamiento de la respuesta temporal a través de simulación, de los sistemas de control diseñados frente a variaciones en la referencia, vapor demandado, presión a salida de válvula de control, variaciones en las 3 entradas señaladas del sistema de control.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Se tiene una caldera de tubos de agua, la cual necesita ser controlada.
Datos para todas las variantes:
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
-
Variación permisible del nivel en el domo de la caldera: 300 mm; Variación del flujo de agua de alimentación: 0 - 25 m3/s; Variación del flujo de vapor: 0 - 30 m3/s; Variación de la presión en la válvula: 0 - 100 Pa; Transmisores electrónicos con salida estándar: 4 - 20 mA Altura máxima del domo: 2 m; nivel de operación: 1 m
A partir de los datos anteriores obtenemos las funciones de transferencia de todos los subprocesos involucrados en el sistema de control de nivel en el domo superior de la caldera de tubos de fuego. PROCESO
FT variación de nivel respecto variaciones en caudal de agua alimentación
FT Sensores FT Actuadores PERTURBACIONES
FT Variación de Resistencia Hidráulica de la válvula de agua alimentación
FT Variaciones en caudal de presión
Se plantea controlar la caldera mediante 3 métodos, 1 señal, 2 señales, 3 señales, compararlos entre sí y encontrar el diseño adecuado que satisfaga los requerimientos
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
temporales y de seguridad del nivel en el domo superior de la caldera de tubos de agua.
INSTRUMENTACIÓN A USAR: Usaremos la siguiente instrumentación:
SENSORES •
Sensores de nivel de agua Señal de medición [4-20mA], Rango de nivel [0-2m] Rango de operación 1m +/-0.3
Se considera que la ganancia del sensor es unitaria, debido a que la comparación de señales son de una misma unidad de medida. TTn=1.5; KTn=1; •
Sensor de caudal de agua de alimentación Señal de medición [4-20mA], Rango de nivel [0-25m3/s]
TTQaa=3.34; KTQaa=1 •
Sensor de caudal de vapor de agua. Señal de medición [4-20mA], Rango de nivel [0-30m3/s]
TTQv=2.8; KTQv=1;
ACTUADORES •
Válvula de Agua de Alimentación Señal de actuación [4-20mA] Rango de actuación [0 100pa]
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
DIAGRAMA FUNCIONAL DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA FF
PID
+
PT SET POINT FLUJO VAPOR FC LT
FT
FC
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
SELECCIÓN Y AJUSTE DE MEDIOS TÉCNICOS DE AUTOMATIZACIÓN, INCLUIDO EL CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DEL CONTROLADOR CONTROL DE NIVEL EN DOMO SUPERIOR CON 1 SEÑAL:
Diseño del controlador:
Gv Gaa
GTn Considerando no haya perturbaciones obtenemos el modelo de la planta
Gv = 2. 31 --------0. 7 s + 1 Gaa = 13. 48 s + 3. 8 ----------------12. 48 s^2 + 1. 6 s GTn = 1 --------1. 5 s + 1
8
CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
Gp=Gv*Gaa*GTn Gp = 31. 14 s + 8. 778 ---- -------- ------ -------- ----- -----13. 1 s^4 + 29. 14 s^3 + 16 s^2 + 1. 6 s
AJUSTE TEORICO
Gp
A partir del esquema, encontramos la función de lazo cerrado: Glc= 31.14*Kc s + 8.778*Kc ----------------------------------------------------------13.1 s^4 + 29.14 s^3 + 16 s^2 + (1.6+31.14*Kc) s + 8.778*Kc
Encont r amos l a gananci a cr í t i ca de l a Gl c. Aplicando el criterio de Routh
43 2 ∗ − − ∗ 1 − 0 13.1 16 2.9-13.1Kp (16 8.778
)
(2.9
13.1
2.9
13.1
16 1.6+31.14Kp 8.778Kp
) (1.6 + 31.14
(8.778
)
)
8.778Kp
í
Encontramos el
que hace que el valor de la fila
∗ − −− ∗
(16 8.778
)
(2.9
13.1
2.9
13.1
) (1.6 + 31.14
)
1 0 o
sea igual a cero
>0
Resolviendo se encuentra Kp
>0 0.2214 > í
í
> 0.0506
= 0.0506
44
33
Λ − 22
0.2249 >
∗
∗
P(s) = 13.1 s + 29.14 s + 16 s + (1.6 + 31.14 Kc) s + 8.778 Kc P(s) = 13.1 s + 29.14 s + 16 s + (3.1757)s + 0.4442 =
9
CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
(
− 2
) = ( 29.14
í
í
= =
3.1757 29.14
2
+ 3.1757).
+ (13.1
4 − 2 16
+ 0.442)
= 0.3301
= 19.0329
A partir de la tabla de Siegler- Nichols obtenemos los parámetros teóricos del controlador PI de la caldera.
Parámetros Ajuste Teórico - Ziegler Nichols:
= 0.0253,
( )=
( +
AJUSTE TEORICO / SIN PERTURBACIONES
.
= 15.8608
)
Control Nivel - Diseño Teórico 1.5
1 Referencia 0.5
0
Nivel Domo Superior
0
50
100
150
200
250
300
0.03 Señal Control 0.02 0.01 0 -0.01
0
50
100
150
200
250
300
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
AJUSTE TEORICO / CON PERTURBACIONES DEL 20% Control Nivel - Diseño Teórico 1.5 Referencia Nivel Domo Superior
1
0.5
0
0
50
100
150
200
250
300
0.03 Señal Control 0.02 0.01 0 -0.01
0
50
100
150
200
250
300
AJUSTE FINO Al observar que existe demasiado sobre-impulso, entonces reducimos la ganancia proporcional, e incrementamos la constante de tiempo del integrador, resultando:
Parámetros Ajuste Fino
= 0.01,
= 30
AJUSTE FINO / SIN PERTURBACIONES Control Nivel - Diseño Teórico 1.5 Referencia Nivel Domo Superior
1
0.5
0
15
0 x 10
50
100
150
200
250
300
-3
Señal Control 10 5 0 -5
0
50
100
150
200
250
300
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
AJUSTE FINO / CON PERTURBACIONES DEL 20% Control Nivel - Diseño Teórico 1.5 1 0.5 0 Referencia
-0.5
Nivel Domo Superior -1
0
50
100
150
200
250
300
0.025 Señal Control
0.02 0.015 0.01 0.005 0 -0.005
0
50
100
150
200
250
300
Se observa que las perturbaciones presentan un peligro para este tipo de control con 1 señal, hay mucho riesgo de llegar a un nivel cero en el domo superior. En ese sentido hay una contraparte al ajustar los parámetros de manera fina, se trata de bajar el sobreimpulso, consiguiendo por otra parte una menor reacción del controlador para contrarrestar la perturbación provocada por variación en el caudal de vapor de agua.
CONTROL DE NIVEL EN DOMO SUPERIOR CON 2 SEÑALES Diagrama de bloques, control con 2 señales: Caudal de Vapor de Agua / Nivel
Lazo FEEDFORWARD
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
Gqv : Caudal d Vapor de Agua - 3. 773 s - 2. 31 ---------------5. 06 s^2 + 2. 2 s GTQv : Tr ansmi sor del caudal de Vapor de Agua 1 --------1. 5 s + 1 Gv : Vál vul a de Agua 2. 31 --------0. 7 s + 1 Gaa : Var i aci ón Ni vel por Var i aci ón Caudal Agua de Al i ment aci on 13. 48 s + 3. 8 ----------------12. 48 s^2 + 1. 6 s Diseño del compensador para el control Feed Forward. El lazo con compensador debe anular el efecto de la perturbación por variación de caudal de vapor de agua, esto quiere decir:
∗ ∗ ∗ ∗ ∗ − ∗ ∗ − ( ) =
( )
( )=
( ) ( )
( )
( )
( )
+
( )
=0
( )
FF(s):
( )=
0.31379 ( + 1.429) ( + 0.6667) ( + 0.6122) ( + 0.1282) s (s + 0.4348) (s + 0.2819)
AJUSTE TEÓRICO- CONTROLADOR CON 2 SEÑALES
− ∗
Añadimos un compensador al FF(s) ( )=
( )=
(
.
( + .
)( + .
( + .
)( + .
)( + .
)( + .
)
)
( )
+ )
Manteniendo el controlador téórico usado, elegimos al siguiente compensador Tf<<1 = 1;
= 0.01;
=2
( )=
( .
+ )
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
CONTROLADOR DE NIVEL CON 2 SEÑALES – AJUSTE TEÓRICO, Perturbación 20% referencia Control Nivel-Ajuste Teórico 2.5 Referencia
2
Nivel(1 señal) Nivel(2 señales)
1.5 1 0.5 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.04 Señal Control
0.02 0 -0.02 -0.04 -0.06
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
En la figura se observan los resultados del controlador planteado, vemos que hay un sobreimpulso en la respuesta a la perturbación por variación de presión, demasiado elevado, teniendo en cuenta que el límite máximo de nuestro domo 2mts, necesitamos realizar un reajuste fino del compensador planteado.
AJUSTE FINO – CONTROLADOR CON 2 SEÑALES Realizamos un pequeño reajuste en el compensador, agregamos una ganancia de 0.8, para disminuir el SobreImpulso presentado por la respuesta.
= 0.4;
= 0.01;
=2
( )=
Llegando a alcanzar un ajuste fino del controlador
.
( .
+ )
CONTROLADOR DE NIVEL CON 2 SEÑALES – AJUSTE FINO Perturbación 20% referencia Control Nivel-Ajuste Fino 1.5
1 Referencia
0.5
0
Nivel(1 señal) Nivel(2 señales) 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
Para probar la validez de nuestro compensador FeedForward, incrementamos la perturbación a un 50%.de disminución en el flujo de vapor de agua. CONTROLADOR DE NIVEL CON 2 SEÑALES – AJUSTE FINO Perturbación (-50%) del valor normal. Control Nivel-Ajuste Fino 3 Referencia Nivel(1 señal) Nivel(2 señales)
2
1
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.1 Señal Control 0.05 0 -0.05 -0.1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
A partir de la observación, es evidente una mejora en el control, respecto al controlador de 1 señal que no puede atenuar la perturbación por variación en el caudal de presión.
CONTROL DE NIVEL EN DOMO SUPERIOR CON 3 SEÑALES
CONTROL CASCADA
El control con 3 señales consiste añadir un lazo en cascada para el control de caudal de agua de alimentación, al sistema de control con 2 señales.
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
Para el diseño, mostramos las funciones de transferencia que afecta al lazo de control.
Gv : Vál vul a de Agua 2. 31 --------0. 7 s + 1 GTQaa : Sensor de Caudal de Agua de Al i ment aci ón 1 ---------3. 34 s + 1
DISEÑO TEORICO CONTROL– CONTROLADOR 3 SEÑALES En base a las funciones ya conocidas, repetimos el procedimiento de encontrar la ganancia y periodo crítico para los cuales plantearemos nuestro control proporcional, esto para diseñar teóricamente el controlador en el lazo de realimentación cascada.
Gp Gp=Gv*GTQaa Gp = 2. 31 ---------------------2. 338 s^2 + 4. 04 s + 1 A partir del esquema, encontramos la función de lazo cerrado: Glc= 2.31*Kcon -------------------------------2.338 s^2 + 4.04 s + 1+2.31*Kcon
Encontramos la ganancia crítica de la Glc, aplicando el criterio de Routh
12 0
2.338 4.04 1+2.31Kcon
1+2.31Kcon
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
í
Encontramos el 1 + 2.31
∗
que hace que el valor de la fila
1 0 o
sea igual a cero
>0
Resolviendo se encuentra Kp
− >
0.4329
Debido a que no hay restricción para el valor Kp, elegimos:
− =
0.4329
Parámetros Ajuste Teórico
Dado que la ganancia negativa añade fase negativa a la función en lazo cerrado, es conveniente, en este caso, no hay un criterio teórico para sintonizar la ganancia del controlador proporcional, por ello realizaremos un ajuste manual, empírico.
DISEÑO AJUSTE FINO – CONTROLADOR 3 SEÑALES A continuación planteamos un procedimiento que nos ayuda a sintonizar los parámetros del controlador en cascada. 1. Primero Sintonizamos la ganancia del controlador proporcional en el lazo secundario o interno.
Utilizamos como criterio aislar el lazo secundario, alcanzar un tiempo de respuesta adecuado, y no tener elevado sobreimpulso.
Kcas=0.1
No hay siginificativo sobreimpulso, pero a la vez, existe demasiado error respecto a la entrada. Kcas=1
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
Una ganancia razonables sería: Kcas=0.7
2. Segundo Sintonizamos los parámetros del controlador primario, o externo,
esto a partir del ajuste fino realizado en el diseño de control con 1 señal
Tener en cuenta que no estamos todavía incluyendo las perturbaciones, solo estamos sintonizando los parámetros de control. La figura muestra el controlador diseñado con 1 señal Kp=0.01; Ti=30 Control Nivel-Ajuste Fino 1.5 Referencia Nivel(1 señal) Nivel(2 señales)
1
Nivel(3señales) 0.5
0
15
0 x 10
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
-3
Señal Control 10 5 0 -5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
Incrementamos la ganancia proporcional Kp=0.5, y reducimos la constante de tiempo Ti=12. Control Nivel-Ajuste Fino 2 Referencia 1.5
Nivel(1 señal) Nivel(2 señales)
1
Nivel(3señales)
0.5 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.06 Señal Control
0.04 0.02 0 -0.02 -0.04
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Una vez realizada la sintonización nuestros controladores quedarían.
� − ( )= .
( )
= .
( )=
+
.
0.31379 ( + 1.429) ( + 0.6667) ( + 0.6122) ( + 0.1282) s (s + 0.4348) (s + 0.2819)
∗ − (
.
+ )
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA Control Nivel-Ajuste Fino 2 Referencia 1.5
Nivel(1 señal) Nivel(2 señales)
1
Nivel(3señales)
0.5 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.06 Señal Control
0.04 0.02 0 -0.02 -0.04
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
DIAGRAMA DE BLOQUES DE CADA VARIANTE DEL CONTROL DE NIVEL DIAGRAMA DE BLOQUES – CONTROL CON 1 SEÑAL
20
CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
DIAGRAMA DE BLOQUES – CONTROL CON 2 SEÑALES
DIAGRAMA DE BOQUES – CONTROL CON 3 SEÑALES
RESULTADOS DE SIMULACIÓN DE CADA VARIANTE DEL CONTROL DE NIVEL 21
CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
RESULTADOS CONTROL – CON 1 SEÑAL
Se presenta la simulación del sistema de control ajustado con 1 señal, considerando: - Variación en la presión de la válvula 5 pa - Variación en el caudal del vapor negativa 0.2 m3/s Control Nivel - 1 señal 3 Referencia 2
Nivel Domo Superior
1 0 -1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.02 Señal Control
0.01 0 -0.01 -0.02 -0.03
-
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Variación en la presión de la válvula 2 pa Variación en el caudal del vapor negativa 0.1 m3/s Control Nivel - 1 señal 2 Referencia 1.5
Nivel Domo Superior
1 0.5 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.02 Señal Control 0.01 0 -0.01 -0.02
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
22
CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
RESULTADOS CONTROL – CON 2 SEÑAL
Se presenta la simulación del sistema de control ajustado con 2 señal, considerando: - Variación en la presión de la válvula 5 pa - Variación en el caudal del vapor negativa de 0.2 m3/s Control Nivel-2 Señales 2 Referencia Nivel(1 señal) Nivel(2 s eñales)
1.5
1
0.5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.04 uControl (1 Señal) 0.02
uControl (2 Señales)
0 -0.02 -0.04 -0.06
-
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Variación en la presión de la válvula 2 pa Variación en el caudal del vapor negativa 0.5 m3/s Control Nivel-2 Señales 3 Referencia Nivel(1 señal) Nivel(2 señales)
2
1
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.1 uControl (1 Señal) 0.05
uControl (2 Señales)
0 -0.05 -0.1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
RESULTADOS CONTROL – CON 3 SEÑALES
Se presenta la simulación del sistema de control ajustado con 2 señal, considerando: - Variación en la presión de la válvula 5 pa - Variación en el caudal del vapor negativa de 0.1 m3/s Control Nivel-Ajuste Fino 2 1.5 Referencia
1
Nivel(1 señal) Nivel(2 s eñales)
0.5
Nivel(3señales) 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.3 uControl 1 señal 0.2
uControl 2 señal uControl 3 señal
0.1 0 -0.1
-
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
En el escenario más extremo: Variación en la presión de la válvula 5 pa Variación en el caudal del vapor negativa 0.5 m3/s Control Nivel-Ajuste Fino 1.5 Referencia Nivel(1 señal)
1
0.5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.2 uControl 1 señal
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
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CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE NIVEL EN EL DOMO SUPERIOR DE UNA CALDERA DE TUBOS DE AGUA
CONCLUSIONES •
•
•
•
•
Se diseñó de manera satisfactorio el controlador de nivel del domo superior con 3 señales, comprobando su efectividad para disipar las perturbaciones en: variaciones en el caudal de agua de alimentación, así como en la variación del caudal de vapor de agua a la salida de la caldera. El comportamiento del controlador con 3 señales tiene una mejor perfomance y satisface los requerimientos del diseño de control en el domo superior de una caldera de tubos de agua: +/- 300 mm del nivel de operación 1m. Se observa que la variación de caudal en el vapor de agua, debido a la disminución o incremento de demanda de vapor, es una señal medible. Esta perturbaciones afectan considerablemente al control de nivel, no pudiendo ser superadas con el control de 1 señal. Se comprobó el eficaz comportamiento del controlador feedforward para contrarrestar dicho efecto. Se comprobó el eficaz perfomance de un control en cascada para atenuar las variaciones en la señal física de control.
BIBLIOGRAFIA -
Katsuhiko Ogata [2010], Ingeniería de Control Moderna – Pearson Eduaction Madrid Raúl Rivas [2015], Apuntes de Clase “ Control Avanzado” – PUCP Raúl Rivas [2015], Apuntes de Clase “ Control de Procesos” – PUCP Astromg and Wittenmark [1994] , Adaptative Control – ADISON WESLEY
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