CEA 2016

Concurso en Ingeniería de Control

2016 Control de una caldera de vapor

Descripción del concurso

Organiza el Grupo Temático de ingeniería de control de CEA

www.ceautomatica.es/og/ingenieria-de-control

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CIC2016

Organiza:GrupoTemáticoenIngenieríadeControldeCEA

FernandoMorilla

CarlosRodríguez

Dpto.InformáticayAutomática UNED

Patrocinan

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1.Introducción.EstedocumentopresentalasbasestécnicasdelconcursoqueelGrupoTemáticodeIngenieríadeControldeCEAproponeaestudiantesdegrado,másteryposgradoenlaedición2016.Elproblema de control propuesto es una variante del preparado por el profesor FernandoMorillaenel2010(Morilla,2010).Enelsegundoapartadosepresentacualitativamenteelprocesoelegido,unacalderadevaporindustrial,loquesepuedeesperardeélydesusistemadecontrol.Eneltercerapartadosepresenta el modelo de caldera, programado expresamente para este concurso enMatlab©/Simulink©, y se comentan sus principales características dinámicas. En el cuartoapartadosepresentaelesquemageneraldecontrolmultivariablesobreelquesetestearántodos loscontroladoresquesepresentenalconcurso.Ytambiénsepresentaelcontroladorqueservirádereferenciaparaevaluarlos.Enelquintoapartadosedescribe,amododeejemplo,dosexperienciasdecontrol,suficientesparamostrarquelacalderasepuedeoperardeformamásomenosefectiva,yparaquelosconcursantesconozcancómosecomportaelcontroladordereferencia.Enelsextoapartadosedescribenlascondicionesdelconcursoysedaunainformacióncualitativasobreel índicerelativo de funcionamiento que constituirá una parte importante en la evaluación de laspropuestas realizadas por los concursantes. En el séptimo apartado se presenta toda ladocumentación relativa a este concurso, con especial atención a las variables, programas,funciones ymodelosa losque los concursantes tienenacceso. Ladocumentación sepuededescargarenlapágina:http://www.dia.uned.es/~fmorilla/CIC2016/2.Calderadevaporindustrial.El proceso elegido, que se ha implementado en Matlab©/Simulink©, reproduce conpequeñasmodificacionesalmodelodecalderapropuestoporG.Pellegrinettiy J.Bentsmanen1996.Setratadelacalderanº2delaPlantadeAbbottenChampaign,IL.Lacalderaformapartedeunaunidaddecogeneraciónusadaparacalefacciónygeneracióndeenergíaeléctricadiseñadaparasuministraruncaudaldevaporde22.10kg/saunapresiónde2.24MPa.Esteprocesosemuestraesquemáticamenteenlafigura1.Elaguaquese introduceenelcalderínesconvertidaenvapormediante latransferenciadecalor a través delmetal de los tubos. El aire y el combustible semezclan y queman en elhogar,quesueleestarformadoporparedesdetubosdeaguaquerecibenelcalorradiantedela llama y es por tanto donde se produce la máxima transferencia de calor. Los gases decombustión,comoresultantedeestapérdidadecalor,seenfríanyabandonanelhogar.Elfuncionamientodelacalderadebesatisfacerlossiguientesrequerimientosbásicos:

1) Elvaporqueseproducedebemantenerseenunascondicionesóptimasdepresiónytemperatura a pesar de las variaciones en la cantidad de vapor demandada por losusuarios. En esta ocasión vamos a suponer que la temperatura está internamente

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reguladayqueelsistemadecontrolsólotieneinformacióninstantáneadelapresióndevapor.

2) Lacalderadebesercapazdeoperaradistintascargas,entreunmínimoyunmáximo,y todo ello será posible con una combustión eficaz. De ahí que la mezcla decombustibleyaireenelhogardebasatisfacerlosestándaresdeseguridad,eficienciaenergéticaycondicionesambientales.Esteúltimorequisitosesuelecumplirfijandounporcentajedeoxígenoenexcesorespectoalacombustiónestequiométrica.Portantoesnormalqueelsistemadecontroltengamedidainstantáneadelexcesodeoxígenoenlosgasesdecombustión.

3) Elniveldeaguaenelcalderíndebemantenerseentornoaunvalordeseadocontaldeevitarsobrecalentamientode loscomponentesdelcalderíno las inundacionesde laslíneas de vapor. De ahí que el sistema de control tenga información del rangopermitidoaestenivelydispongadesumedidainstantánea.

Figura1:Plantaindustrialdegeneracióndevapor.

En definitiva, el sistema de control de una caldera industrial debemantener la presión devapor,elexcesodeoxígenoen lacámaradecombustiónyelniveldeaguaenelcalderínaunos valores especificados. Para conseguirlo, el sistema de control puede actuar sobre loscaudales de combustible, aire y agua de alimentación. Como el proceso está expuesto avariacionesenlademandadelcaudaldevapor,avariacionesenlascaracterísticasenergéticasdel combustible, y de otras perturbaciones como son las temperaturas ambientales, eshabitualqueelsistemadecontroldispongaalmenosdeunamedidadirectao indirectadelconsumodevapor.

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3.Modelodelacaldera.El modelo de la caldera, representado como un bloque MIMO (multiple input- multipleoutput)enlafigura2,tienetresvariablesdeentradaquepuedensermanipuladasenelrangode0%al100%paramodificarloscaudalesdecombustible,deaireydeaguadealimentaciónrespectivamente. Pero en estamanipulación existe además una limitación de velocidad decambio;noseadmitencambiosenningunadeestasvariablesquesuperenel1%porsegundo.De esta forma se incorporan al modelo las restriccionesmás habituales de los actuadoresindustriales.Elmodelofacilitaatravésdesustresvariablesdesalida,candidatasavariablescontroladas,informaciónacercade:lapresióndevaporenlacaldera,elporcentajedeoxígenoenexcesoenlosgasesprocedentesdelacombustiónyelniveldeaguaenelcalderín.Todaslassalidassefacilitanen%desurangodeinstrumentación,yestánafectadasderuidoenlamedidaparasimularunascondicionessimilaresalaplantaindustrial.

Figura2:BloqueMIMOquerepresentaalacalderayvistadesuestructurainterna.

Elmodelodisponeademásdeunacuartaentrada(Demandadevapor),consideradavariableexógenayportantonomanipulable,cuyovalorenelrangode0%al100%permitirásolicitarquelacalderagenereelvapornecesarioparaatenderlademanda.Estacuartaentradatendráportantolacategoríadeperturbaciónmedibleparalaestructuradecontrolqueseincorporeenesteproceso.En la figura2semuestra también laestructura internadelbloqueCALDERA,dondetodoelnúcleomatemáticodelmodelosehaintegradoenunbloquedetipoS-funciónquehaceusode la función “cic2016_boiler”, expresamente programada para este concurso. El resto sonbloquesauxiliaresbienconocidos.Enelúltimoapartadodeestedocumentosedescribenlosprogramasyfuncionesqueposibilitanelusodeestemodelo.Porahorasólonosinteresasaberqueelpuntodeoperaciónenelqueseiniciarántodaslasexperienciasde control con la caldera va aestardeterminadopor los siguientes valoresdeentradaydesalida:

Combustible(0)≅40.59%,Aire(0)≅63.07%,Agua(0)≅35.06%Demandadevapor(0)≅37.86%,Presióndevapor(0)=40.51%Excesodeoxígeno(0)=37.77%,Niveldeagua(0)=44.41%

Demanda de v apor

Combustible

Aire

Agua

Presión de v apor

Exceso oxígeno

Niv el de agua

CALDERA

3Nivel de agua

2Exceso oxígeno

1Presión de vapor

Y0(3)

Y0(2)

Y0(1)

cic2016_boiler

Caldera4

Agua

3Aire

2Combustible

1Demanda de vapor

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Sobreestepuntodeoperaciónsehananalizadolasrespuestasacambiosbruscosentodasycadaunadelasentradas,llegandoalassiguientesconclusiones:• Elcaudaldeairesóloinfluyeenelexcesodeoxígenoenlosgases.• Elexcesodeoxígenosóloestáafectadoporloscaudalesdecombustibleydeaire,ymás

concretamenteporsuproporción.• La presión de vapor presenta un comportamiento estable para los dos caudales

(combustibleyagua)queleafectanyparalademandadevapor.• Elnivelenelcalderíntienecarácterintegradorparalosdoscaudales(combustibleyagua)

queleafectanyparalademandadevapor.Alqueseañadeuncomportamientodefaseno mínima para el caudal de combustible y para la demanda de vapor (propio de losfenómenosdeesponjamientoydecontracción).Estecomportamientodefasenomínimasetendríatambiénquepresentar,sielmodelofueramásrealista,paraelcaudaldeagua.

Este análisis permite postular un modelo lineal en el punto de operación descrito por lasiguienteecuaciónmatricial,enlaqueintervienenlasfuncionesdetransferenciaentrelastresvariablesmanipuladas(Ui),laperturbaciónmedible(D)ylastresvariablescontroladas(Yi)

1 11 13 1 1d

2 21 22 2

3 31 33 3 3d

Y (s) g (s) 0 g (s) U (s) g (s)Y (s) = g (s) g (s) 0 U (s) + 0 D(s)Y (s) g (s) 0 g (s) U (s) g (s)

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

4.Controldelacaldera.Enbasealconocimientodelproceso,resumidoenelapartado3,seproponecontrolarlotalcomomuestralafigura3,dondeelbloque“CONTROLADOR”seencargadegeneraraccionesparalastresvariablesmanipuladas(Combustible,AireyAguadealimentación).Paraelloésterecibe informaciónde las tres variables controladas (Presióndevapor, ExcesodeoxígenoyNiveldeagua),desusrespectivasconsignasydelaperturbaciónmedible(Demandadevapor)a través del espacio de trabajo. En la figura 4 se muestra un ejemplo de controlador,concretamenteelqueservirádereferenciaenesteconcurso,queseincorporaenelmodeloatravésdeunbloqueS-funciónquehaceusodelafunción“cic2016_controller”.El sistemadecontrolde la figura3,conelcontroladordereferenciade la figura4oconelcontroladorquehayandiseñadolosconcursantes,permitiráentreotrascosasexplorarotrospuntosdeoperacióndistintosalpuntodeoperaciónhabitual.Enelúltimoapartadodeestedocumentosedaránmásdetallesdecómohacerlo,peroestáclaroqueparaellocontamosconcuatrovariablesindependientesenelsistemadecontrol,queson:lademandadevaporylasconsignasparalastresvariablescontroladas.

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Figura3:EsquemaSimulinkdelsistemadecontroldelacaldera.

Figura4:EsquemaSimulinkdelcontroladordereferencia.

5.Experienciasdecontrolconlacaldera.Acontinuaciónsedescribendosexperienciasdecontrol,suficientesparaponerdemanifiestoque la caldera se puede operar con el controlador de referencia y con cualquier otrocontrolador.Laprimeraexperienciaeslacorrespondienteal“Casodereferencia”ylasegundaexperienciacorrespondeaun“Casoaevaluar”.Elcasoaevaluardifieredelcasodereferenciaenquelaestructuradelcontroladoresmuchomássimpleyenquenosehahechountrabajode reajuste de los parámetros del controlador buscando ofrecer mejores prestaciones alsistema.En ambas experiencias se ha empleado el mismo patrón de cambios en las variablesindependientes,el representadoen la figura5,elqueseemplearáparaevaluara todos loscontroladoresqueparticipenenlafase1deesteconcurso.Seobservaque:

3consignas 2

salidas

1entradas

Yref{1}

Presión de vapor

Yref{3}

Nivel de agua

Yref{2}

Exceso oxígeno

D

Demanda de vapor

Demanda de v apor

Presión de v apor (ref erencia)

Exceso oxígeno (ref erencia)

Niv el de agua (ref erencia)

Presión de v apor

Exceso oxígeno

Niv el de agua

Combustible

Aire

Agua

CONTROLADOR

Demanda de v apor

Combustible

Aire

Agua

Presión de v apor

Exceso oxígeno

Niv el de agua

CALDERA

3Agua

2Aire

1Combustible

cic2016_controller

Controlador dereferencia

7Nivel de agua

6Exceso oxígeno

5Presión de vapor

4Nivel de agua

(referencia)

3Exceso oxígeno

(referencia)

2Presión de vapor

(referencia)

1Demanda de vapor

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• Enelinstanteinicial,t=0min,lasconsignastienenlosmismosvaloresquelastresvariablesdelproceso(Presióndevapor,ExcesodeoxígenoyNiveldeagua)enelpuntodeoperacióncomentado en el apartado 3, y que la Demanda de vapor también tiene el valorcorrespondienteaesepuntodeoperación.

• Aloscincominutos,t=5,sedecidetrabajarconunapresióndevapormenor,reduciendosuconsignadeformabruscaenun5%.

• Alosveinteminutos,t=20,sedecidetrabajarconmenorexcesodeoxígeno,reduciendosuconsigna de forma brusca en un 5%. Este cambio en el punto de consigna junto con elcambioenelotropuntodeconsignarespondeaunaestrategiadeeficienciaenergéticaenlaquesedeseatrabajarconunvapordemenorpresión(reduccióndel5%)yconunexcesodeoxígenomenor(reduccióndel5%).

• Durante20minutos,entrelosinstantest=50yt=70hayquetrabajarenunascondicionesdemayordemandadevapor,concretamentedel10%.

• Durantetodalaexperiencia,quetieneuntamañomáximode120min,setrabajaconlamismaconsignadeniveldeaguaenelcalderín,lacorrespondientealpuntodeoperación.

Figura5:Patróndemovimientosenlasvariablesindependientes.

Enlafigura6seobservaque,tantoconelcontroladordereferenciacomoconelcontroladoraevaluar,lastresvariablesdesalidadelacalderasemantienendebidamentecontroladas.Yenlafigura7sepuedeobservarcómocadaunodeloscontroladoreshahechoevolucionarlasseñalesdecontrol, lastresvariablesmanipuladasdelacaldera,paraconseguireseobjetivo.Aunque en las gráficas se pueden observar las diferencias cualitativas de comportamientoentre los dos controladores, éstas se cuantificarán de una formamás clara en el siguienteapartadomedianteelíndicerelativodefuncionamiento.

0 20 40 60 80 100 12032

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36

38

40

42

44

46

48Patrón de movimientos de las variables independientes

Tiempo (min)

%

Consigna de presión de vaporConsigna de exceso de oxígenoConsigna de nivel de aguaDemanda de vapor

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Figura6:Respuestasdelprocesoparalasdosexperienciasconelpatróndemovimientosdelafigura5.Lostrazosenrojomuestranlaevolucióndelastresconsignas.Mientrasqueparalaevolucióndelas variables controladas se han empleado dos trazos. Los trazos en azul corresponden al CasoreferenciaylostrazosenverdecorrespondenalCasoquesequiereevaluar.

Figura 7: Evolución de las variables manipuladas para las dos experiencias con el patrón demovimientosdelafigura5.LostrazosenazulcorrespondenalCasoreferenciaylostrazosenverdecorrespondenalCasoquesequiereevaluar.

6.Condicionesdelconcurso.Lasexperienciasdelapartadoanteriormuestranque,tantoconelcontroladordereferencia,comoconuncontroladormássimpleydesajustado,sehapodidocontrolarlacaldera.Pero

0 20 40 60 80 100 12030

32

34

36

38

40

42Presión de vapor y consigna (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 12020

25

30

35

40

45

50Oxígeno en exceso y consigna (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 12038

40

42

44

46

48

50

52Nivel de agua y consigna (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 12010

20

30

40

50

60

70Combustible (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 12020

30

40

50

60

70

80

90Aire (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100Agua (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

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indudablemente puede haber formas simples y/o formas más o menos efectivas deconseguirlo. De ahí que un problema de controlmuy conocido en elmundo industrial, “elcontroldeunacaldera”,sehayaelegidoparacumplirelobjetivodeesteconcurso;motivaralosalumnosdeingenieríadecontrolyfacilitarsuprocesodeaprendizaje.Acontinuaciónserelacionanlascondicionesdelconcurso:1ª)Posiblesestrategiasdecontrol.Talycomosedescribeenlasbasesdelconcursoexistendoscategorías:

• Categoría 1: control PID de la planta. Orientado para alumnos de grado, primer osegundo ciclo. Enesta categoría sepodránutilizarúnicamentebloquesPID,bloquesdinámicosauxiliaresdeprimerorden (tipo Lead-Lag) ybloquesde cálculoestáticos.Pero además, todos losbloques y su conexionadodebenestar accesibles al tribunalevaluador.

• Categoría2:controlmultivariable.Orientadoaalumnosdemásterydoctorado.Estacategoríaestáabiertaalusodeestrategiasdecontroldecualquiertipo,debidamentejustificadasydocumentadas,perononecesariamenteaccesiblesaltribunalevaluador.Sin embargo sí tendrán que diferenciar la parte estructural del controlador y susparámetros,explicitandolosvaloresdeestosúltimos.

En cualquier caso todas las estrategias que se presenten al concurso deberán, conindependencia de su complejidad, ser capaces de arrancar el proceso en el punto deoperacióncomentadoenelapartado3.Asíunade lasexperienciasdescritasenelapartadoanteriorpodríacorresponderaunconcursanteylaotraalafacilitadaporlaorganización.2ª)Entornodeevaluación.Todaslasestrategiasdecontrolquesepresentenalconcursoseevaluaránenreferenciaalcontroladorpresentadoenelapartado4,conlosparámetrosquedieron lugar a los resultados indicados como “Caso referencia” en las experiencias delapartado 5. Por tanto todas las estrategias de control vendrán encapsuladas en un únicobloque“CONTROLADOR”ydeberánpoderseejecutarenelentornodeMatlab©/Simulink©,conelesquemadelafigura3,sinelrequerimientodequehayaotrosToolboxesinstalados.3ª)Entregablesenlafase1.Cadaequipoconcursante,quetendráasignadounidentificadorXXXdetrescifras,haráentregadelossiguientesficheros:• cic2016_controladorXXX.mdl:ArchivoSimulinkconelbloquecontrolador.• Conjunto auxiliar de archivos *.m, *.p y *.mat: Archivos Matlab necesarios para la

ejecucióndelcontroladorpropuesto.• cic2016_ControlCalderaXXX.pdf:Documentopdfdescribiendolapropuestadecontrolcon

elformatoestablecidoenlasbasesdelconcurso.4ª)Tipodeevaluaciónenlafase1.Todaslasestrategiasdecontrolparticipantesenlafase1delconcursosesometeránalmismopatróndemovimientosenlasvariablesindependientesde la figura5 conelobjetivode computarun índice relativode funcionamiento.Condicho

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patrón de movimientos se ha querido englobar en una sola experiencia los tres aspectossiguientes:

Regulaciónenelpuntodeoperación.Elsistemadecontroldeberámanteneralacalderafuncionando en torno al punto de operación sin cambios en los puntos de consigna.Rechazandooatenuandolosefectosproducidosporelruidoenlasmedidasyloscambiosenlascaracterísticasenergéticasdelcombustible.Seguimientodeconsignas.El sistemadecontrolserácapazde llevara lacalderaaotropuntodeoperación,diferentealdelapartado3,comoconsecuenciadeuncambiobruscoentodasoalgunasdelasconsignasysinquehayacambiadolademandadevapor.Capacidadparaatenderunademandadevaporcambianteenel tiempo.Elsistemadecontrolconseguiráquelacalderaseacapazdeatenderunademandadevapordiferentealadelpuntodeoperacióndelapartado3,sinquesealterensignificativamentelapresióndevapor,lacombustiónyelniveldeaguaenelcalderín.

5ª)Clasificaciónde losconcursantes.Todas lasestrategiasdecontrolquesepresentena lafase1delconcursoseclasificarándentrodesucategoríaenbasea lapuntuaciónobtenida.Dicha puntuación valorará principalmente el índice relativo de funcionamiento, perotambiénseveráafectadaporladocumentaciónpresentada,lametodologíadediseñoylosaspectosmáscaracterísticosdelaestrategiapropuesta.En este documento no se aporta información analítica sobre el índice relativo defuncionamiento, pues se pretende evitar soluciones de control que estén exclusivamentecentradas en la minimización del mismo. No obstante, los equipos pueden valorar losresultadosqueobtendránconsucontroladorempleando la funciónquese leshafacilitado.Comocomplementoadichafunciónseaportalasiguienteinformacióncualitativa:

a) El índicepenalizadesviacionesexcesivasen las tres variables controladas respectoasusrespectivasconsignasyloscambioselevadosenlastresseñalesdecontrol.

b) Elíndicepenalizaelnúmerodevecesqueseincumplelasiguienterestricciónsobrelasvariablesmanipuladas:Lasvelocidadesdecambiode lastressalidasdelcontrolador,nodeberánsuperarenningúncasolaunidad,esdecir,necesitaráncomomínimode1segundoparacambiarun1%.

c) Otra penalización adicional se encarga de velar por la seguridad en la caldera.Concretamente, bajo ninguna circunstancia se desea que el error en la segundavariable controlada (excesodeoxigeno) salga de la bandadel ±5%. Pues se podríanproducirinquemadosquepondríanenriesgolaintegridadfísicadelequipo.

d) Elíndicetienecarácterrelativorespectoal“Casoreferencia”descritoenelapartado5.La bondad del controlador presentado a concurso se manifestará con un valor delíndice relativo inferior a la unidad. Lo esperable es que esto sea posible en las doscategoríasdelconcurso.Perolológicoesquelosequiposconcursantesenlacategoría2puedenconseguirunamayorreduccióndel índice.Porejemploel“Casoaevaluar”del apartado 5 presentó un índice relativo aproximado de 21.75, muy alejado del“Casoreferencia”.Esteresultadotanmalosedebeprincipalmentealaspenalizacionesen la tercera variable manipulada (el caudal de agua) y en las desviaciones en lasegundavariablecontrolada(elexcesodeoxígeno).

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6ª)Tipodeevaluaciónyentregablesen la fase2.Todoslosequiposquehayanconseguidopasar a la fase 2 del concurso someterán sus controladores a un mismo patrón demovimientosenlasvariablesindependientes,almenosdentrodesucategoría.Patrónquesepublicará al inicio de esta fase y será ligeramente diferente al empleado en la fase 1. Elentregable en esta fase 2 será un archivo *.m o *.mat para que los evaluadores puedanreemplazarfácilmentelosparámetrosdecontrolempleadosenlafaseclasificatoria.7.Documentación.En este apartado se relacionan y comentan los archivos que los concursantes podrándescargardesde:http://www.dia.uned.es/~fmorilla/CIC2016/.2archivospdf:CIC2016_Descripcion.pdfyPellegrinetti_Bentsman96.pdf1archivomdl: cic2016_boiler_control.mdl2archivosm: cic2016_prueba_control_caldera.m,cic2016_evalua_control_caldera.m3archivosp: cic2016_boiler.p,cic2016_controller.p,cic2016_evaluaJcaldera.p3archivosmat:cic2016_fase1_boiler.mat,cic2016_fase1_entradas.mat,

cic2016_caso_referencia.matObservación: Los archivos mdl, m, y mat se han generado y probado con la siguientesversionesdeMatlabySimulink.

MATLAB Versión7.14 (R2012a)Simulink Versión7.9 (R2012a)

Seruegaalosconcursantesquenotifiquencualquierincompatibilidadquedetectenconotrasversionesy/oconlasopcionesempleadasysugeridasporlaorganizaciónparaelalgoritmodeintegraciónenlafigura8.

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Figura 8:Opciones empleadas y sugeridas por la organizaciónpara el algoritmode integraciónen lasexperienciasdecontrolconlacaldera.

CIC2016_Descripcion.pdf.Eslaversiónelectrónicadeestedocumento.Pellegrinetti_Bentsman96.pdf. Versión electrónica del artículo de G. Pellegrinetti y J.

Bentsmanenelqueestáinspiradoelmodelodelacaldera.cic2016_boiler_control.mdl. Modelo Simulink del sistema de control de la caldera, véase

figura 3. Este modelo se facilita para que los concursantes puedan probar elcontrolador de referencia y sus controladores. Se recuerda que estos archivos sedeberían poder ejecutar sin necesidad de ningún toolbox auxiliar, el únicorequerimientoesque los siguientesdos gruposde variables (D0,U0,Y0) y (D,Yref,tend, ts) tengan ya valores asignados en el espacio de trabajo deMatlab. La formapropuesta por la organización para inicializar estas variables es cargar los archivoscic2016_fase1_boiler.matycic2016_fase1_entradas.mat.Advertencia:Losconcursantespuedenexplorarelcontenidodelbloque“CALDERA”siquieren tenermás información de las características del modelo, pero no deberíanmodificarlo, salvo para pruebas concretas, puesto que el modelo sobre el que seevaluaránsuscontroladoresesúnico,elmismoparatodoslosconcursantes.

cic2016_fase1_boiler.mat ArchivodedatosMatlabquesefacilitaparaasignarvaloresa lassiguientesvariables(D0,U0,Y0).Advertencia:Losconcursantesnodeberíanmodificarel contenido de este archivo, pues contiene la información necesaria para que elbloque“CALDERA”arranqueenelpuntodeoperacióndelapartado3,elelegidoparalafase1delconcurso.Laestructuradevariableseslasiguiente:D0esunescalarenelrangode0a100%,contieneelvalorinicialdelaDemandadevapor.U0esunvectorcolumnadetrescomponentesenelrangode0al100%,contienelosvaloresinicialesdelostrescaudalesdeentradaalacaldera(Combustible,AireyAguadealimentación,poreseorden).

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Y0esunvectorcolumnadetrescomponentesenelrangode0al100%,contienelosvaloresinicialesdelastressalidasdelacaldera(Presióndevapor,ExcesodeoxígenoyNivelenelcalderín,poreseorden.

cic2016_fase1_entradas.mat ArchivodedatosMatlabquesefacilitaparaasignarvaloresalassiguientesvariables(D,Yref,tend,ts).Advertencia:Losconcursantesnodeberíanmodificar el contenidodeeste archivo, pues contiene la informaciónnecesaria paraqueenelsistemadecontrolsedesencadeneelpatróndemovimientoempleadoenlafase1delconcurso.Sinembargopuedenrealizartantasexperienciascomoquieransirespetanlasiguienteestructuradevariables:D es unamatriz de dos columnas y tantas filas como sean necesarias para definir,mediante tramos rectos, la demanda de vapor en función del tiempo. La primeracolumna de cada matriz contiene los instantes de tiempo y la segunda columnacontieneloscorrespondientesvaloresdelademandaenelrangode0al100%.Yrefesunaestructuradedatoscontresmatricesdedoscolumnasytantasfilascomoseannecesariasparadefinir,mediante tramos rectos, las tresvariablesdeconsignasenfuncióndeltiempo.tendesunescalarquedeterminaeltiempo,ensegundos,quedurarálasimulación.Enlafase1tend=7200s(120min),comopuedecomprobarseenlasfiguras5a7,perolosconcursantespuedenrealizarsuspropiasexperienciasconotrosvaloresdetend.ts es el periodo de muestreo, en segundos, con el que se registrarán las variablesgeneradasdurantelasimulación.Advertencia:Enlafase1laorganizaciónhadecididoutilizar un ts=3 s, sin embargo los concursantes pueden realizar sus propiasexperienciasconotrosvaloresdets.

cic2016_prueba_control_caldera.m. Programa en Matlab que se facilita para que los

concursantespuedanrealizarexperienciasdecontrolsobre lacalderasobreelpuntode operación habitual. El esqueleto de este programa contiene cuatro partes biendiferenciadas:en laprimeraparte,cargando losarchivoscic2016_fase1_boiler.matycic2016_fase1_entradas.mat, se incorpora la información que define del punto deoperacióny lascondicionesnecesariasparagenerarelpatróndemovimientosde lasvariables independientes. En la segunda parte se prepara el vector de tiempos y seejecutalasimulación.Enlaterceraparteseguardanlosresultadosdelasimulaciónenel archivocic2016_caso_evaluar.mat para suposterior análisis o evaluación. Y en lacuarta parte se presentan resultados de la simulación en comparación con elcontroladordereferenciayseevalúaelíndicedefuncionamientorelativo.El archivo cic2016_caso_evaluar.mat, como el generado con el controlador dereferencia cic2016_caso_referencia.mat, contiene los resultados de la simulaciónrecogidos en un vector de tiempos t (en segundos), con valores equidistantes elperiododemuestreots,yenlamatrizregistros.Estamatrizcontienediezcolumnas,laprimeracolumnaregistralaevoluciónquehaexperimentadolademandadevapor,lassiguientes tres columnas registran la evolución de los caudales (combustible, aire yaguadealimentación,poreseorden),lassiguientestrescolumnasregistrancómohanrespondido las tres variables controladasde la caldera (presiónde vapor, excesode

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oxígeno y nivel de agua en el calderín), y las últimas tres columnas registran laevolucióndelasconsignasdeestastresvariablescontroladas.Advertencia:Losconcursantespuedenmodificarelcontenidodeesteprograma,perodeberían limitarseamodificar lascondicionesdesimulacióny losparámetrosdesuscontroladores.

cic2016_evalua_control_caldera.m Programa enMatlab que se facilita para que losconcursantes puedan comparar sus diseños con el controlador de referencia. Noobstantelopuedenemplearparacomparardosexperienciascualesquiera,dondeunadeellashaceel papelde “Caso referencia” y laotrade “Casoaevaluar”, siempre ycuandoloscontroladoressehayansometidoalasmismascondicionesdesimulación.Elesqueletodeesteprogramacontienedospartesbiendiferenciadas:en laprimerapartesecargan,atravésdesendosarchivos*.mat,losresultadosdelasexperienciasquesequierencomparar.Laprimeraobligatoriamentecorrespondealcontroladordereferencia y la segunda corresponde al controlador que se quiere evaluar. En lasegundapartesecomparanlosresultadosdeformagráficayseevalúalaefectividadquesupondría la sustitucióndel controladorde referenciaporelnuevocontrolador,usandoelíndicerelativodefuncionamiento.Lasgráficasdelasfiguras6y7hansidogeneradas por este programa. Advertencia: El modelo de la caldera incluye ciertaaleatoriedad,por tantoesnormalqueexperiencias conelmismocontroladoren lasmismascondicionesdesimulaciónlegenerenuníndicerelativoligeramentediferentealaunidad.

cic2016_boiler.p S-Función, en formato codificado deMatlab para proteger su contenido,

quemodelalacaldera,esutilizadaenelbloque“CALDERA”delafigura3.Recibecomoparámetros:Y0,[U0D0].

cic2016_controller.pS-Función,enformatocodificadodeMatlabparaprotegersucontenido,

quemodelaelcontroladordereferencia.cic2016_evaluaJcaldera.p Función, en formato codificado de Matlab para proteger su

contenido, que evalúa la efectividad del controlador respecto al controlador dereferenciacuandoéstossehansometidoa lasmismascondicionesdesimulación.Lafunción, que se emplea en el programa cic2016_evalua_control_caldera.m, recibecomoparámetros:t,registrosr,registros.

8.Referencias.

G. Pellegrinetti and J. Bentsman.Nonlinear Control Oriented Boiler Modeling – A BenchmarkProblem for Controller Design. IEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 4, nº 1,January1996.F.Morilla.Benchmark2009-10,GrupoTemáticodeIngenieríadeControldeCEAControldeunaCaldera,UNED,2010.http://www.dia.uned.es/~fmorilla/benchmark09_10/