capitulo iv resultados de la investigaciÓ n

34
CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN A continuación se analizara el desarrollo de las fases de la presente investigación con el propósito de abordar los resultados, conclusiones y recomendaciones que fueron obtenidos a lo largo de las mismas. 1. Fase I: Descripción del proceso El proceso de combustión de las calderas puede ser muy variado y complejo en relación al fabricante y regido por el tipo de controlador, en la actualidad la caldera acuotubular Nebraska Tipo D Modelo NS-E-54, consta de un sistema de combustión de calibración mecánica, el cual está constituido por un dispositivo neumático el cual desplaza una palanca en una trayectoria circular comprendida entre 0 a 90° aproximadamente. Dicho dispositivo neumático tiene el nombre de DAMPER el cual es un actuador neumático conformado por un posicionador y un convertidor de corriente a presión (I/P), el cual transfiere la señal de salida del controlador por medio de un lazo de corriente de 4-20 miliamperios y los convierte de 64

Upload: others

Post on 11-Jul-2022

11 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

CAPITULO IV

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

A continuación se analizara el desarrollo de las fases de la presente

investigación con el propósito de abordar los resultados, conclusiones y

recomendaciones que fueron obtenidos a lo largo de las mismas.

1. Fase I: Descripción del proceso

El proceso de combustión de las calderas puede ser muy variado y

complejo en relación al fabricante y regido por el tipo de controlador, en la

actualidad la caldera acuotubular Nebraska Tipo D Modelo NS-E-54, consta

de un sistema de combustión de calibración mecánica, el cual está

constituido por un dispositivo neumático el cual desplaza una palanca en una

trayectoria circular comprendida entre 0 a 90° aproximadamente.

Dicho dispositivo neumático tiene el nombre de DAMPER el cual es un

actuador neumático conformado por un posicionador y un convertidor de

corriente a presión (I/P), el cual transfiere la señal de salida del controlador

por medio de un lazo de corriente de 4-20 miliamperios y los convierte de

64

Page 2: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

65

forma lineal en presión de 3-15 psi, la cual se transfiere al posicionador de

dicho actuado y desplaza el movimiento de 0° a 90° a la palanca que mueve

un sistema de varillas metálicas encargadas de transferir esta trayectoria

circular hacia los 2 elementos reguladores cruciales que definen la curva de

combustión, es decir el aire generado por el blower y el flujo de gasoil

inyectado en el quemador o lanza.

Figuras 14 y 15. Vista Frontal y superior del Damper, convertidor de corriente a presión I/P y sistema de varillaje. Fuente: González (2013).

Dentro de este enfoque, el blower a implementar es un dispositivo

generador de ráfagas continuas de aire y que en este y muchos casos de

calderas se implementa para el suministro forzado de aire al hogar, lugar

donde ocurre la combustión en la cual el combustible al ser atomizado con

vapor y encendido con un piloto completa el proceso de combustión con la

quema de estas partículas de oxigeno que son impulsadas atreves de la

cámara de combustión y expulsado por la chimenea.

Page 3: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

66

Seguidamente el blower posee una serie de ventanillas retractiles con

bisagras, que regulan el flujo de aire que pasa atreves de la succión del

mismo, esto mediante una serie de barras estabilizadoras que transfieren de

forma uniforme el movimiento de regulación generado por el dámper.

Figura 16. Vista Frontal y superior del Blower.

Fuente: Gonzalez (2013),

Figura 17. Ventanillas y sistema de varillaje de regulación del flujo de aire en la succión del blower. Fuente: González (2013)

Page 4: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

67

El otro elemento crucial dentro de la combustión de esta caldera es la

válvula reguladora de gasoil, la cual tiene la particularidad que permite variar

su curva de flujo a lo largo del recorrido de su apertura, esto por medio de

una serie de pernos que presionan un riel por el cual se desplaza un

rodamiento que transfiere este movimiento directamente al asiento de la

válvula.

También es importante mencionar que esta válvula es de

accionamiento mecánico, es decir que el movimiento para cumplir su

trayectoria de apertura y cierre es realizado por medio de las barras que

transfieren el movimiento rotacional generado por el Damper.

Figuras 18 y 19. Posicionador interno del dámper y convertidor de corriente a presión I/P. Fuente: González (2013).

Seguidamente la combustión de esta caldera debe ser calibrada

previamente por medio de un detector de llama, que cense en cada punto de

Page 5: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

68

la trayectoria de la válvula de gasoil la cual posee 12 pernos de ajuste, el

porcentaje exacto de gasoil y de oxigeno presente en la combustión durante

todo el recorrido de apertura y cierre del sistema, luego de que ha sido

establecida la curva de combustión adecuada a los parámetros arrojados por

el detector de llama y fijados mecánicamente, estos permanecen fijos

durante todo el proceso de combustión.

Figuras 20 y 21. Válvula reguladora mecánica marca MAXON con 12 pernos de calibración para variación de curva de flujo en el recorrido de su

apertura mediante sistema de varillaje. Fuente: González (2013)

Dicho proceso de combustión refleja su eficiencia en cuanto al

porcentaje de vapor generado y es regulado mediante una medición de

presión en el domo de la caldera.

Cabe destacar que el proceso de protecciones está comprendido por

un sistema supervisorio de combustión o (BMS “Boiler managment system”)

el cual es el sistema certificado a nivel mundial para el manejo de combustión

interna de calderas, este consta de un controlador marca FIREYE el cual

Page 6: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

69

poseer un sensor infrarrojo que detecta la calidad de la llama y garantiza que

la misma este encendida y que queme todo el combustible de forma continua

sin ningún tipo de perturbaciones que deje residuos de gasoil sin quemar que

puedan generar posibles explosiones.

Figura 22. Disposición del sensor infrarrojo para detección del piloto y la

llama posterior. Fuente: Fireye (2008).

Figura 23. Programer Tipo: EP160 con módulo de expiación E300.

Fuente: González (2013).

Page 7: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

70

Este sistema BMS también está encargado de realizar todo el proceso

de encendido de la caldera, el cual se resume en una serie de purgas y pos-

purgas antes de realizar la aperturas de las válvulas motorizadas de cierre

rápido, tomando en cuenta todas que este es el encargado de recibir y

censar todas las señales permisivas que rigen el sistema, entre estas

resaltan los preso swith de, presión de gasoil, presión de vapor, alta y muy

alta presión en el domo, sondas de niveles, entre otros, los cuales son

interrogados durante todo el proceso de combustión y si llegasen a fallar

inmediatamente este cerraría de inmediato las válvulas de corte de

combustible.

Figura 24. Secuencias de purgas durante el arranque de la caldera.

Flame monitor system, fireye (2008).

También es importante mencionar que el BMS se encarga de

gobernar al controlador indicando cuando es el momento de realizar la

Page 8: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

71

modulación o abrir y cerrar el dámper para realizar el proceso de purgas o

pos-purgas durante el arranque de la caldera. Esto lo hace mediante salidas

digitales que le indican al controlador que debe colocarse en modo manual

para realizar una rampa de apertura o cierre, para luego que se abran las

válvulas de corte de combustible y posteriormente que comience la llama

este certifique la combustión accionando el bit de automático que le permite

al controlador comenzar la modulación.

Después de haber abordado las partes de protecciones de la caldera

acuotubular y los elementos que conforman la modulación de la misma para

generar la combustión que define la generación de vapor, es importante

resaltar que el sistema posee un regulador de presión que se utiliza para

regular la presión de vapor de atomización que garantisa la forma de la llama

la cual es otro punto crucial que debe ser calibrado durante los puntos de

ajuste de la válvula de gasoil y el blower.

Figura 25. Regulador de vapor de atomización. Fuente: González (2013)

Page 9: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

72

En este ámbito también se abordan todos los mensajes de

visualización de estatus de la combustión y listado de fallas que se presentan

durante todo el monitoreo de la combustión.

.

Figura 26. Diagrama del ciclo de monitoreo del control de llama. Fuente: Flame monitor system, Fireye (2008).

Page 10: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

73

Figura 27. Vista frontal de la caldera acuotubular Nebraska Tipo D Modelo NS-E-54. Fuente: González (2013)

Dentro de este proceso de generación de vapor se implementa como

punto de trabajo actualmente por las condiciones deficientes de esta caldera

un presión de trabajo de 130 psi la cual es necesaria para mantener las

propiedades del vapor saturado implementado en la planta (aproximada

mente a unos 170 - 185 °C), el cual al ser retornado por las trampas de vapor

Page 11: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

74

estas convierten en mayor porcentaje el agua contenida en este para luego

enviarla a un contenedor de agua condensada o recuperada que es la ideal

para reutilizarla en la caldera nuevamente, luego de pasarla por un

desaireador que quita las partículas de oxigeno en su mayoría de esta agua

antes de ingresarla nuevamente a las calderas.

Figura 28. Diagrama de flujo de sistema de vapor en empresa cervecera. Fuente: González (2013).

2. Fase II: Definición de las variables y recolección de datos del

proceso

En todo sistema de control definir las variables inherentes en el lazo

del mismo es el paso que establece el comportamiento que deberá

desempeñar el controlador.

Page 12: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

75

En este enfoque, al tomar en cuenta las características del sistema

actualmente estudiado, se considero que las variables de mayor relevancia

serian, el porcentaje de apertura y cierre del dámper, ya que es directamente

proporcional a la combustión interna en el hogar de la caldera, el cual tiene

incidencia directa en la presión del domo, la cual es registrada por medio de

un transmisor de presión el cual esta calibrado de 0 a 250 psi.

De este modo, es lazo de control a estudiar se define con una entrada

y una salida con respuesta directa, es decir que a medida que se abre el

porcentaje del dámper la combustión interna aumenta, elevando la

temperatura interna en el hogar, dando como resultado un incremento de la

la transferencia térmica y elevando la temperatura que se refleja

directamente en el porcentaje de agua que pasa a estado de ebullición,

convirtiendo sus partículas de estado liquido a gaseoso, por ende

aumentando su volumen dentro del hogar y finalmente generando una

elevación de la presión.

Así mismo, al contener en el domo la presión deseada el controlador

deberá modular el dámper en relación al flujo de vapor exigido por la planta,

es decir que al aumentar las exigencia de vapor, el flujo aumentara dejando

escapar la presión contenida hasta bajar de la presión establecida en el set-

point de trabajo y en este punto deberá actuar el dámper para elevar la

combustión y final mente restablecer la presión deseada.

Page 13: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

76

A continuación se presenta el lazo de control que define el proceso a

analizar:

Figura 29. Diagrama de lazo de control. Fuente: González (2013)

Luego de haber analizado las variables de entrada y de salida del

sistema se procedió, a realizar la recolección de datos, para posterior mente

seleccionar un tramo con 90 muestras en periodos de tiempos de 1 minuto

es decir la trama tuvo una duración de 90 minutos ininterrumpidos, en los se

sometió a la caldera pruebas a lazo abierto colocando la apertura de la

válvula de 60% estando en automático a 25%, 20%, 60%, 80%, 40% dando

como resultado las siguientes variaciones:

Figura 30. Muestras de variación de la planta sometida a un escalón

unitario. Fuente: González (2013)

Page 14: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

77

Figura 31. Porcentualizacion del porcentaje de apertura del dámper con respecto a la respuesta de la presión del domo. González (2013).

Como se observa en las graficas, la apertura del dámper afecta

directamente el incremento de presión en el domo de la caldera, es decir que

se precisa la descripción del proceso anterior mente mencionado, en el cual

a mayor porcentaje de de apertura del dámper aumenta la generación de

vapor.

3. Fase III: Modelado Matemático

En esta fase de la investigación de procede a analizar la data

seleccionada ingresando las matrices de los datos de entrada

correspondientes al porcentaje de apertura o cierre del dámper y a los datos

de salida del sistema concernientes a la presión del domo de la caldera,

luego se importa la data desde matlab al System Identification de toolboox.

Page 15: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

78

De este modo antes de comenzar la modulación de la planta se

corroboro que la data seleccionada de la planta fuese persistente mente

excitante de orden 30 como se muestra den las siguiente grafica:

Figura 32. Grafica de periodicidad de la data recolectada de la planta. Fuente: González (2013).

Luego de haber comprobado que la data es apta para realizar el

modelado matemático, se realizo la estimación con los modelos paramétricos

a través de la relación lineal entre la entrada y salida del sistema en

comparación con la de la planta, en la siguiente imagen se muestran las

estrategias de modelado implementadas:

Page 16: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

79

Figura 33. Herramienta para la interface en la identificación de sistemas. Fuente: González (2013).

En esta etapa de la investigación se observo el comportamiento de

cada estrategia de modulación, comprando entre ellas el porcentaje de de

aproximación y de ajuste con respecto de la planta y se obtuvo la siguiente

grafica:

Figura 34. Comparación entre los distintos modelos matemáticos, con el porcentaje de cada uno con respecto al porcentaje de ajuste de la

planta real. Fuente: González (2013).

Page 17: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

80

Luego de analizar y comparar los modelados matemáticos se

selecciono la estructura de modelado OE (OUTPUT ERROR) de cuarto

orden, ya que su porcentaje de aproximación a la planta real alcanzó un

81.97% de ajuste, tomando en cuenta según el criterio del investigador, un

porcentaje de ajuste por encima de 75%, está dentro de los porcentajes

aceptables para proceder con el diseño de un controlador sobre la planta

modelada.

Después de seleccionar el modelo matemático, se genera la función

de transferencia en tiempo discreto y en tiempo continuo aplicando MATLAB

se obtiene;

Función de transferencia en tiempo discreto:

>> gz=tf (num,den,1) Ecuación 3

Función de transferencia en tiempo continuo:

>> gs=d2c(gz) Ecuación 4

Luego de plantear las funciones de transferencias, se continúo la

investigación analizando el lugar geométrico de las raíces, en el cual se

determino que el sistema es estable ya que se encontraron 4 polos en la

Page 18: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

81

parte interna del círculo unitario, Esto nos permite concluir que la planta es

estable. A continuación se muestra la grafica con polos y ceros del sistema.

Figura 35. Lugar geométrico de las raíces. González (2013).

Seguidamente se determino si el sistema es controlable y observable,

convirtiendo la función de transferencia en tiempo discreto a ecuaciones de

estado en tiempo de estado como se muestra a continuación:

Ecuación 5

A: Matriz de Estado

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1Poles (x) and Zeros (o)

Page 19: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

82

B: Matriz de Entrada

C: Matriz de Salida

D: Matriz de Transmisión Directa

>> [A,B,C,D] = ZP2SS(num,den,1)

Ecuación 6

Luego de obtener las ecuaciones de estado en tiempo discreto, se

obtiene la matriz de controlabilidad y su rango como se representa a

continuación; Ecuación 7

Page 20: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

83

co=ctrb(A,B)

>> rank(co)

ans = 5

Se considera el sistema controlable ya que el rango de la matriz de

controlabilidad es igual a la longitud del vector B, de las ecuaciones de

estado lo cual representa las entradas del sistema.

A continuación se analizó la observabilidad del sistema de la siguiente

manera: Ecuación 8

ob=obsv(A,C)

ob=

Page 21: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

84

>> rank(ob)

ans = 5

Se considera que el sistema es controlable ya que el orden de la

matriz de observabilidad es igual a la longitud del vector B, de las ecuaciones

de estado lo cual representa las entradas del sistema.

4. Fase IV: Diseño del Controlador

En la siguiente fase, se tomo la función de transferencia en tiempo

discreto para el diseño del control óptimo aplicado a la modulación de la

combustión de una caldera acuotubular Nebraska Tipo D Modelo NS-E-54

con el propósito de regular su generación de vapor para satisfacer las

necesidades de la planta.

Seguidamente se aplico la estructura de un Control Optimo Cuadrático

(LQR) presentada por Ogata, K. (1998), el cual es un esquema muy utilizado

en las industrias y es una referencia de los antecedentes presentados en

esta investigación.

Un sistemas de control óptimo cuadrático, es aquel cuyo diseño

minimiza o maximiza el desempeño del sistema real respecto a lo deseado

(índice de desempeño), lo que determina a su vez la configuración del

Page 22: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

85

sistema. Generalmente un sistema de control es óptimo para cierto valor del

índice de desempeño, pero para otro valor no lo es. Es decir el diseño de

control óptimo solo debe llevarse a cabo para un determinado sistema y no

debe generalizarse su resultado.

Un sistema de control óptimo se dice que es lineal porque se trabaja

con sistemas lineales; cuadráticos porque el funcional objetivo es una función

cuadrática (suma de los cuadrados de las desviaciones de las variables

respecto a sus niveles deseados). La solución que se obtiene es una regla

de acción en la que las variables de control son una función lineal de las

variables que se quieren controlar (variables de estado).

A continuación se procederá a plantear las ecuaciones para

determinar el índice de desempeño del sistema de control lineal óptimo

cuadrático mediante el método convencional de minimización, utilizando los

multiplicadores de Lagrange.

Ecuación 9

Donde:

X (k): Vector de estado dimensión n

U (k): Vector de estado dimensión r

G: Matriz no singular de n x n

H: Matriz de n x r

Page 23: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

86

En el problema de control óptimo cuadrático se desea determinar una ley

para el vector ? ?? ?de manera que un índice de desempeño cuadrático se

minimice.

Ecuación 10

Donde:

S y Q: Son matrices hermiticas definidas positivas o semidefinidas positivas

R: Es una matriz hermiticas definida positiva.

El primer término de la ecuación toma en cuenta la importancia del

estado final. El primer término dentro de los corchetes de la sumatoria toma

en cuenta la importancia relativa del error durante el proceso de control y el

segundo término toma en cuenta el gasto de energía de la señal de control.

La ley de control óptimo viene dada por:

Ecuación 11

Donde: ? ?? ?: es una matriz de tamaño rxn variante en el tiempo. Si N tiende a infinito. ? ?? ?: es una matriz constante de tamaño rxn.

El problema de control óptimo cuadrático es un problema de minimización

que involucra una función de varias variables. Por lo tanto se puede resolver

por el método de minimización convencional.

Se minimiza j dada por la siguiente ecuación:

Page 24: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

87

Ecuación 12

Ecuación

Donde k= 0,1,2,3…,N-1 y donde existe una condición inicial dada por el

vector de estado

Ecuación 13

Ahora, al emplear un conjunto de multiplicadores de LaGrange l (1), l (2),…., l

(N), se define un nuevo índice de desempeño L como:

Ecuación 14

La razón de escribir los términos que involucran el multiplicador de

LaGrange en la forma que se muestra en la ecuación anterior es para

asegurar que L=LT (L es una cantidad escalar real).

Para minimizar la función L, se necesita diferenciar L respecto a cada uno de

los componentes de los vectores , ) y e igualar los resultados a cero.

Sin embargo, desde el punto de vista computacional, es conveniente

diferenciar a L respecto a: donde estos son los )()(),( kykiukix λ

c=)0(x

)1()]1()()([

)]1()()()[1(

)]()()()([21

)()(21 1

0

++−++

+−+++

++= ∑−

=

kkkk

kkkk

kkkkNNL

T

T

N

k

TTT

?xHuGx

xHuGx?

RuuQxxSxx

∑−

=

++=1

0

)]()()()([21

)()(21 N

k

TTT kkkknNJ RuuQxxSxx

Page 25: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

88

complejos conjugados de Respectivamente. Por lo tanto,

se tiene:

Ecuación 15

Ecuación 16

Ecuación 17

Despejando ? (k), u(k) y x(k+1) de sus respectivas ecuaciones obtenemos

las siguientes expresiones:

Ecuación 18

Ecuación 19

Ecuación 20

)()(),( kykuikxi λ

Nknikix

L,,2,1;,,2,1,0

)(KK ===

∂∂

1,,2,1,0;,,2,1,0)(

−===∂

∂Nkri

kiuL

KK

Nkniki

L,,2,1;,,2,1,0

)(KK ===

∂∂

λ

)1()()( * ++= kkk ?GQx

?

)1()( *1 +−= − kk ?HRu

)()()1( kkk HuGx

x +=+

Page 26: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

89

Luego se obtendrá el vector optimo ? ?? ? en la forma de lazo cerrado

obteniendo, primero, la ecuación de Riccati. Al suponer que l (k) se puede

escribir en la forma siguiente:

Ecuación 21

Donde ? ?? ?es una matriz hermítica de nxn.

Ecuación 22

Al sustituir queda:

Ecuación 23

Para sistemas de estado completamente controlable, se puede demostrar

que P(k+1) es definida positiva o semidefinida positiva. Para una matriz

P(k+1) al menos semidefinida positiva se tiene:

Ecuación 24

)()()( kkk xP? =

)1()1()()()( * +++= kkkkk xPGQx

xP

)1()1()()1( *1 ++−=+ − kkkk xPHHRGx

x

)()1()]1([ *1 kkk Gx

xPHHRI =+++ −

0≠++=

++=++=++−

−−−

HPHRR

HPHRIHRPHIPHHRI

)1(

)1()1()1(*1

*11**1

k

kkk rrn

Page 27: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

90

Donde utilizo la relación:

Ecuación 25

Donde:

A: Matriz de nxn

B: Matriz de rxn

A la inversa queda:

Ecuación 26

Al hacer unos ajustes tenemos:

Ecuación 27

En referencia a las ecuaciones anteriores, al observa que k=N se tiene:

Ecuación 28

Ecuación 29

Desde k=N hasta K=0. Esto es, se pueden obtener P(N), P(N-1),…,P(0) al

comenzar de P(N) el cual es conocido.

En referencia a las ecuaciones anteriores, el vector de control óptimo ? ?? ?) se

escribe como:

Ecuación 30

BAIABI rn +−=+

)()]1([)1( 1*1 kGxkPHHRIkx −− ++=+

)()()()( NSNNxNP == λ

SNP =)(

)]()([*)(*)1(*)( 111 kQxkGHRkHRku −−=+= −−− λλ

Page 28: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

91

Donde:

Ecuación 31

La ecuación anterior proporciona la forma en lazo cerrado para el vector

de control optimo u(k) Observe que el vector de control optimo es

proporcional al vector de estado.

Una forma ligeramente diferente del vector de control optimo u(k) se puede

dar como:

Ecuación 32

En relación a lo anterior mente expuesto, para el diseño de un Control

Optimo Cuadrático, es necesario representar la planta en ecuaciones de

estado, las cuales fueron realizadas en la fase anterior, para posteriormente

construir la representación equivalente de este esquema de control basados

en la teoría de este tipo de controlador optimo.

Luego de definir las matrices, se sustituyeron en la ecuación de Ricatti

aplicando MATLAB de la siguiente manera:

[K,P,E]=dlqr(A,B ,ones(5),1)

Ecuación 33

)()()(])([*)(* 11 kxkKkxQkPGHR −=−− −−

)()1(*])1(*[)( 1 kGxkPHHkPHRku +++−= −

Page 29: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

92

Donde;

K: Es el Vector de Ganancia Optima

P: La solución de la Ecuación de Ricatti

E: Son los Auto valores del sistema para los parámetros de diseño.

En este sentido una vez resuelta la ecuación de Ricatti, se realiza a

través de Simulink el diagrama de bloque correspondiente al control óptimo

de la planta, en el cual han sido sustituidos los valores antes calculados.

Figura 36. Esquema LQR en Simulink Fuente: González (2013)

Page 30: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

93

Luego de haber aplicado el control optimo en la planta, se presenta la

respuesta ante un escalón unitario (Figura 37), en dicha grafica se puede

observar que dentro de las condiciones planteadas el controlador diseñado

cumple con las condiciones exigidas del proceso teniendo un tiempo de

estabilización de entre 30 segundos, suficientes para mantener la presión de

trabajo requerida.

Figura 37. Respuesta del Esquema LQR en Simulink Fuente: González (2013)

Fase V: Simulación y Validación del Controlador

Para dar cumplimiento de esta última fase, que valida la eficiencia del

control optimo diseñado para modular la combustión de una caldera

acuotubular Nebraska Tipo D Modelo NS-E-54, tomamos el esquema del

control óptimo desarrollado en Simulink y de manera paralela se le colocó la

Page 31: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

94

planta original (Figura 38), para así lograr visualizar a la vez ambas

respuesta al escalón unitario y compararlas para evaluar la eficiencia del

control optimo.

Figura 38. Sistema Original en tiempo discreto y LQR Fuente: González (2013).

Luego de haber compilado el diagrama se obtuvo una grafica en la

que se pueden comparar la respuesta de planta original, la cual no llega a

estabilizarse. En cambio la respuesta del control LQR como se comento

anterior mente, se puede visualizar una estabilización entre 30 y 40

segundos. Esto Resalta, que hay una mejoría en la respuesta del sistema.

De esta manera queda claro que el diseño del controlador optimo logra

controlar el sistema brindando una respuesta más rápida (Figura 39).

Page 32: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

95

Figura 39. Sistema original Vs LQR Optimo Ante una Entrada Escalón. Fuente: González (2013).

De este modo se tiene un controlador que genera un nivel de

confiabilidad extra dentro del proceso ya que garantiza que la variable a ser

controlada se encuentre dentro de sus tiempos y parámetros de operación.

Por otra parte se evaluó en comportamiento del controlador LQR

tomando el esquema del control óptimo desarrollado en Simulink, en paralelo

nuevamente con la planta original, pero anexo se le colocó la entrada directa,

pero en esta prueba se sometió el sistema a los set-points a lazo abierto

inicialmente tomados del proceso como se muestra a continuación;

Figura 40. Sistema Original en tiempo discreto y LQR Fuente: González (2013).

Page 33: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

96

Esta prueba se realizó con el propósito de verificar la capacidad del

controlador LQR desarrollado ante las variaciones del proceso real que la

planta original no es capaz de estabilizar de forma eficiente o total y mostrar

mediante la grafica de la figura 41, la cual muestra en la primera grafica la

respuesta de la planta original, en la segunda la respuesta del controlador

LQR y la tercera los escalones de prueba a los cuales fue sometido el

sistema. Dando como resultado que el controlador logra estabilizarse en

todos los escalones de prueba en un tiempo promedio de en 20 a 30

segundos.

De esta manera queda expuesta que el diseño de un control óptimo

para la modular la combustión de una caldera acuotubular Nebraska Tipo D

Modelo NS-E-54 es más eficiente que el sistema original. La ganancia de

tiempo obtenido y el rechazo a perturbaciones hacen que el proceso de

generación de vapor de dicha caldera sea más estable asegurando que las

variables implicadas en el proceso se encuentren en los rangos

operacionales para este incidir en la calidad del vapor generado que cumpla

con las exigencias de la planta.

Page 34: CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓ N

97

Figura 41. Respuesta de la planta real, respuesta del controlador LQR y Set-points a lazo abierto de la planta. Fuente: González (2013).