UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE

PUEBLA

MECATRONICA-AREA DE

AUTOMATIZACION

“CONTROL DE TEMPERATURA EN UN

INTERCAMBIADOR DE CALOR”

“SISTEMAS DE CONTROL

AUTOMATICO”

Docente: Vichique Vargas Fabián

Gilberto

Nombre: Victor Hugo Becerril Viveros

3”E”

INTRODUCCION:

El objetivo de esta práctica es muestrar cómo diseñar retroalimentación y

alimentación directa compensadores para regular la temperatura de un reactor

químico a través de un intercambiador de calor. Conocer las distintas variables

que debemos tomar en consideración al momento de controlar la temperatura:

Dentro de este simulador aprenderemos a utilizar los distintos comandos que nos

permiten comunicarnos con el sistema de MATLAB al momento de insertar los

datos de lo que realmente se desea controlar.

Este sistema nos permitirá conocer una simulación del cambio de la temperatura

con respecto al tiempo tal y como se muestra más adelante, además de realizar

una organización del controlador a través de diagramas de bloques.

CONTENIDO:

Control de temperatura en un intercambiador de calor

Este ejemplo muestra cómo diseñar compensadores de retroalimentación y

alimentación directa para regular la temperatura de un reactor químico a través de

un intercambiador de calor.

Intercambiador de calor de proceso

Un reactor químico llamado "tanque de agitación" es representado por debajo. La

entrada superior ofrece un líquido que se mezcla en el tanque. El líquido del

tanque debe mantenerse a una temperatura constante variando la cantidad de

vapor suministrado al intercambiador de calor (tubo inferior) mediante su válvula

de control. Variaciones en la temperatura del flujo de entrada son la principal

fuente de disturbios en este proceso.

Figura 1: revolviendo Reactor con intercambiador de calor.

Usando datos medidos para modelar la dinámica de intercambiador de calor

Para derivar un modelo de primer-orden-mas-tiempo muerto de las características

del intercambiador de calor, inyectar un disturbio del paso en el voltaje de la

válvula V y grabar el efecto de la temperatura T del tanque con el tiempo. A

continuación se muestra la respuesta medida en unidades normalizadas:

“heatex_plotdata”

“Title ('Measured response to step change in steam valve voltage');”

Los valores t1 y t2 son los tiempos donde la respuesta alcanza 28,3% y 63,2% de

su valor final. Puede utilizar estos valores para calcular la constante de tiempo tau

y tiempo muerto theta en el intercambiador de calor:

t1 = 21.8; t2 = 36.0;

Tau = 3/2 * (t2 - t1)

Theta = t2 - tau

Tau = 21.3000

Theta = 14.7000

Verificar estos cálculos comparando la respuesta de primer-orden-plus-tiempo

muerto con la respuesta de la medida:

s = tf ('s');

Gp = exp (-theta*s)/ (1+tau*s)

Gp = 1

Exp (-14.7*s) * --------- 21.3 s + 1

Continuous-time transfer function.

Hold on, step (Gp), and hold off

Title ('Experimental vs. simulated response to step change');

La respuesta del modelo y los datos experimentales están de acuerdo. Un

experimento de prueba bump similar podría realizarse para estimar la respuesta

de primer orden a un disturbio del paso de la temperatura de entrada. Equipado

con modelos para el intercambiador de calor y el disturbio de la afluencia, estamos

dispuestos a diseñar el algoritmo de control.

Control de retroalimentación

A continuación se muestra una representación del diagrama de bloque del proceso

de lazo abierto.

Figura 2: proceso de lazo abierto.

La función de transferencia

Modelos como un cambio en el voltaje V conduciendo la abertura de la válvula de

vapor afecta la temperatura del tanque T, mientras que la función de transferencia

Modelos de cómo afecta la Tun cambio d en temperatura de entrada. Para regular

la temperatura del tanque T alrededor de un punto de referencia determinado Tsp,

podemos usar la siguiente arquitectura de retroalimentación para controlar la

válvula de apertura (voltaje V):

Figura 3: Control de retroalimentación.

En esta configuración, el controlador de proporcional integral (PI)

Calcula que el voltaje V se basa en la brecha Tsp-T entre la temperatura deseada

y medida. Puede utilizar las fórmulas ITAE para recoger los valores adecuados

para los parámetros del controlador:

Kc = 0.859 * (theta / tau)^(-0.977)

Tauc = (tau / 0.674) * (theta / tau) ^0.680

C = Kc * (1 + 1/ (tauc*s));

Kc = 1.2341

Tauc = 24.5582

Para ver cómo funciona el controlador ITAE, cerrar el ciclo de regeneración y

simular la respuesta a un cambio de punto de ajuste:

Tfb = feedback (ss (Gp*C), 1);

Step (Tfb), grid on

Title ('Response to step change in temperature setpoint T_ {sp}')

Ylabel ('Tank temperature')

La respuesta es bastante rápida con un rebasamiento. Mirando los márgenes de

estabilidad confirma que el margen de ganancia es débil:

Margin (Gp*C), grid

Reducir la ganancia proporcional Kc fortalece la estabilidad a expensas de

rendimiento:

C1 = 0.9 * (1 + 1/ (tauc*s)); % reduce Kc from 1.23 to 0.9

Margin (Gp*C1), grid

Step (Tfb,'b', feedback (ss (Gp*C1), 1),'r')

Legend ('Kc = 1.23','Kc = 0.9')

Control de retroalimentacion

Recordar que los cambios de temperatura de entrada son la fuente principal de las

fluctuaciones de temperatura en el tanque. Para rechazar tales disturbios, una

alternativa al control de retroalimentación es la arquitectura de retroalimentación

que se muestra a continuación:

Figura 4: Control de retroalimentación

En esta configuración, el controlador de retroalimentación F utiliza mediciones de

la temperatura de entrada para ajustar la válvula de vapor apertura (voltaje V). El

control de retroalimentación así anticipa y previene el efecto de los cambios de

temperatura de entrada.

Cálculo simple demuestra la transferencia global de temperatura disturbio d a T es

la temperatura del tanque

Rechazo de perturbaciones perfecta requiere

En realidad, modelado inexactitudes prevenir el rechazamiento del disturbio

exacto, pero el control de retroalimentación ayudará a minimizar las fluctuaciones

de la temperatura debido a los disturbios de afluencia. Para obtener un mejor

sentido de cómo el esquema de retroalimentación realizar, aumentaría el retraso

retroalimentado ideal por 5 segundos y simular la respuesta a un cambio en la

temperatura de entrada:

Gd = exp (-35*s)/ (25*s+1);

F = - (21.3*s+1)/(25*s+1) * exp(-25*s);

Tff = Gp * ss (F) + Gd; % d->T transfer with feed forward control

Step (Tff), grid

Title ('Effect of a step disturbance in inflow temperature')

Ylabel ('Tank temperature')

Control combinado Feedforward-Feedback

Control de retroalimentación es bueno para el setpoint seguimiento en general,

mientras Feedforward control puede ayudar a con rechazo de perturbaciones

medidos. A continuación nos fijamos en los beneficios de combinar ambos

esquemas. A continuación se muestra la arquitectura de control correspondiente:

Figura 5: retroalimentación Feedforward Control.

Usar connect para construir el correspondiente modelo de circuito cerrado de Tsp,

d a T. Nombre la entrada y canales de salida de cada bloquean, entonces

permiten conectar automáticamente el diagrama del alambre:

Gd.u =‘d’; Gd.y = 'Td';

Gp.u = 'V'; Gp.y = 'Tp';

F.u =‘d’; F.y = 'Vf';

C.u = 'e'; C.y = 'Vc';

Sum1 = sumblk ('e = Tsp - T');

Sum2 = sumblk ('V = Vf + Vc');

Sum3 = sumblk ('T = Tp + Td');

Tffb = connect (ss (Gp), Gd, C,F,Sum1,Sum2,Sum3,{'Tsp','d'},'T');

Para comparar las respuestas de circuito cerrado con y sin control Feedforward,

calcular la función de transferencia de lazo cerrado correspondiente para la

configuración de retroalimentación sólo:

C.u = 'e'; C.y = 'V';

Tfb = connect (ss (Gp),Gd,C,Sum1,Sum3,{'Tsp','d'},'T');

Ahora comparar los dos diseños:

Step (Tfb,'b', Tfb,’b--'), grid

Title ('Closed-loop response to setpoint and disturbance step change')

Ylabel ('Tank temperature')

Legend ('Feedback only','Feedforward + feedback')

Los dos diseños tienen idéntico rendimiento para seguimiento de punto de ajuste,

pero la adición de control Feedforward es claramente beneficiosa para rechazo de

perturbaciones. Esto también es visible en el diagrama de Bode closed-loop

Bodemag (Tfb,'b', Tffb,'r--', {1e-3,1e1})

Legend ('Feedback only','Feedforward + feedback','Location','southeast')

Simulación interactiva

Para ganar la penetración adicional y afinar interactivamente las ganancias

Feedforward y retroalimentación, usar el modelo de GUI y Simulink del

compañero. Haga clic en el enlace de más abajo para iniciar la interfaz gráfica.