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01 - Ejemplos Industriales.doc 1
1. Ejemplos Industriales 1. Ejemplos Industriales ____________________________________________1
1.1. Un ejemplo industrial: Proceso de Colada Continua________________________________________________________________________ 2 1.1.1. Especificaciones de diseño _____________________________________________________________________________________________________ 12 1.1.2. Modelo _____________________________________________________________________________________________________________________ 13 1.1.3. Realimentación y predicción ____________________________________________________________________________________________________ 16 1.1.4. Una primer indicación de compromisos de diseño____________________________________________________________________________________ 17
1.2. Horno de Arco Eléctrico ______________________________________________________________________________________________ 22 1.3. Objetivo ___________________________________________________________________________________________________________ 23
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1.1. Un ejemplo industrial: Proceso de Colada Continua Presentamos un ejemplo de un problema de control industrial que, aunque simplifi-cado, es esencialmente un problema real. Este ejemplo, de un proceso de colada continua, pertenece a la industria siderúrgi-ca. Sin embargo, como veremos, los principales elementos en la especificación de un comportamiento deseado, el modelado, y la necesidad de dar soluciones de com-promiso, son comunes a los problemas de control en general.
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Salida de las barras
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Berthold Digital
Fuente
Perror_pos
PI
Setpoint_pos
Setpoint_Nivel
+ +
error_nivel
--LVDTNivel
Plc Quantum
Piston
Control de Posicion
Control de Nivel
Tapon
Tundish
Lingotera
Buza
Sensor de Nivel
LVDTSeñal_Servo
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Berthold Digital
Fuente
Piston
Tapon
Tundish
Lingotera
Buza
Sensor de Nivel
LVDT
Señal_Servo Placa lectora del LVDT
MannesmannRexrot
Placa controladora de la servo valvula
MannesmannRexrot VT-SR2
Servo válvula Plc Quantum
4-20ma
0-10v
+-10v
Placa conformadora de pulsos
Control de Nivel CC
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sp_nivel
+
+e_nivel
-
Nivel_real
Kp
1/Ti*s
sp_posición
+
e_posición
-Posición
DelTapónLVDT
Kp+
u_fuerza decontrol
Salida a laServo_valvula
Controlador de Posición del Tapón (P)Controlador de Nivel de Acero (PI)
K_Amp Ksv/(S*(Tsv*S+1)) K_tap Kc/S
K_LVDT
K_Med_niv
K_Vel
Servovalvula+Piston Actuador (Tapón) Molde
Velocidad deColado
Amp_Servo
Poscion deltapón
LVDT
PLC
PLANTA
Nivel deacero
+
-
Medidor de nivel
CONTROL AUTOMATICO DE NIVELCC3
Qo
QiQ
[m][m]
[cuentas]
[cuentas]
[m^3/s]
[m/s]
[I]
[m]
[cuentas]
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1.1.1. Especificaciones de diseño Las metas a lograr en este diseño son: Seguridad: Claramente, el nivel del molde nunca debe correr riesgo de derramarse o vaciarse, ya que cualquiera de las dos situaciones implicaría derramamiento de me-tal fundido, con consecuencias desastrosas. Producción: Los aspectos relevantes incluyen: Calidad del producto Fácil Mantenimiento Rentabilidad de la inversión
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1.1.2. Modelo Para seguir adelante con el diseño del sistema de control se necesita en primer lu-gar entender el proceso. Típicamente, el conocimiento del proceso se cristaliza en la forma de un modelo matemático. Variables relevantes del proceso:
*h : nivel de acero de referencia en el molde
( )h t : nivel real de acero en el molde
( )v t : posición de la válvula
( )tσ : velocidad de colado
( )inq t : caudal de material entrante al molde
( )outq t : caudal de material saliente del molde
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Modelo simple como tanque
( ) ( ) ( )( )t
in outh t q q dτ τ τ−∞
= −∫ , [1.1]
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Diagrama de bloques de la dinámica simplificada del proceso de colada continua, sensores y actuadores.
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1.1.3. Realimentación y predicción Veremos más adelante que la idea central en control es la de inversión. Por otra par-te, convenientemente, la inversión puede lograrse a través de dos mecanismos bá-sicos: realimentación y predicción. Estrategia de control sugerida:
Este controlador combina una acción de realimentación con una acción predictiva.
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1.1.4. Una primer indicación de compromisos de diseño Simulando la operación del control propuesto para nuestro modelo simplificado de la colada continua para valores de K=1 y K=5, vemos que cuanto más pequeña es la ganancia de control (K=1), más lenta resulta la respuesta del sistema a un cambio en el valor de referencia *h . Por otro lado, cuanto mayor es la ganancia de control (K=5), más rápida es la res-puesta obtenida, pero también son mayores los efectos del ruido de medición - evi-dente en oscilaciones mayores en la respuesta permanente y los movimientos más agresivos de la válvula de control.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
variación de nivel para K=1 y K=5
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
apertura de la válvula de control para K=1 y K=5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
variación de nivel y apertura de la válvula de control para un valor más elevado de K
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Compromisos en diseño: mayor velocidad de respuesta a cambios en la referencia trae aparejados mayor sensibilidad al ruido de medición y mayor desgaste del ac-tuador.
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Nivel
74
75
76
77
78
79
80
81
13:38
:0013
:38:13
13:38
:2613
:38:39
13:38
:5213
:39:05
13:39
:1813
:39:31
13:39
:4413
:39:57
13:40
:1013
:40:23
13:40
:3613
:40:49
13:41
:0213
:41:15
13:41
:2813
:41:41
13:41
:5413
:42:07
13:42
:2013
:42:33
13:42
:4613
:42:59
13:43
:1213
:43:25
13:43
:3813
:43:51
13:44
:0413
:44:17
13:44
:3013
:44:43
13:44
:5613
:45:09
13:45
:2213
:45:35
13:45
:48
Tiempo
Niv
el
control real de nivel en Siderca - Argentina
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Pregunta ¿Será este compromiso inevitable?. . . o podrá mejorarse la situación, por ejemplo con
- un mejor modelado, o - un diseño de control más sofisticado ?
Este será un tema central en el resto de nuestra discusión. (Nota: de hecho, el compromiso de diseño es fundamental, como veremos más ade-lante.)
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1.2. Horno de Arco Eléctrico
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1.3. Objetivo Máxima transferencia de energía eléctrica al baño.
Se logra para un determinado valor de resistencia de arco. La resistencia de arco se puede pensar como lineal con la longitud del arco. La longitud del arco no se puede medir. Se calcula la impedancia de arco en forma indirecta midiendo tensión y corriente. Tampoco se puede medir tensión de arco; se mide tensión en bornes del transfor-mador. Por lo tanto se hace
mm r
m
vz zi
= = o 0mr
m
v zi
− = o m r mv z i= [1.2]
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