CEA 2017

Concurso en Ingeniería de Control

2017 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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CIC2017

Organiza:GrupoTemáticoenIngenieríadeControldeCEA

FernandoMorilla

CarlosRodríguez

Dpto.InformáticayAutomática UNED

Patrocinan

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1.Introducción.EstedocumentopresentalasbasestécnicasdelconcursoqueelGrupoTemáticodeIngenieríadeControldeCEAproponeaestudiantesdegrado,másteryposgradoenlaedición2017.Elproblema de control propuesto es una variante del preparado por los mismos autores, F.MorillayC.Rodríguez,paralaedición2016(http://servidor.dia.uned.es/~fmorilla/CIC2016/).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://servidor.dia.uned.es/~fmorilla/CIC2017/.2.Calderadevaporindustrial.El proceso con el que se van a enfrentar mantiene la estructura del modelo de calderapropuesto por G. Pellegrinetti y J. Bentsman en 1996, pero incluye importantesmodificacionesqueafectanprincipalmentea suparametrización.Estemodeloemulabaunacalderanº2delaPlantadeAbbottenChampaign,IL.Lacalderaformabapartedeunaunidadde cogeneración usada para calefacción y generación de energía eléctrica diseñada parasuministraruncaudaldevaporde22.10kg/saunapresiónde2.24MPa.Elproceso,quesehaimplementadoenMatlab©/Simulink©,semuestraesquemáticamenteenlafigura1.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 los

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usuarios. En esta ocasión vamos a suponer que la temperatura está internamentereguladayqueelsistemadecontrolsólotieneinformacióninstantáneadelapresióndevapor.

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 “cic2017_boiler”, expresamente programada para este concurso. El resto sonbloquesauxiliaresbienconocidos.Enelúltimoapartadodeestedocumentosedescribenlosprogramasyfuncionesqueposibilitanelusodeestemodelo.Porahorasólonosinteresasaberqueelpuntodeoperaciónenelqueseiniciarántodaslasexperienciasde control con la caldera va aestardeterminadopor los siguientes valoresdeentradaydesalida:

Demandadevapor(0)≅35.78%Combustible(0)≅32.98%,Aire(0)≅46.23%,Agua(0)≅25.34%Presióndevapor(0)=41.41%,Excesodeoxígeno(0)=28.76%,Niveldeagua(0)=38.60%

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)

cic2017_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“cic2017_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

cic2017_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%.

• Alostreintaminutos,t=30,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%más.

• Durante toda laexperiencia,que tieneun tamañomáximode120min, se trabajacon lamismaconsignadeniveldeaguaenelcalderín,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.Advertencia importante: A partir del minuto 90 se observa una actividad en las tres variablesmanipuladas de la figura 7 que no están en consonancia con la evolución de las variablesindependientes de la figura 5. Esta actividad viene provocada por una perturbación no medible,

0 20 40 60 80 100 12020

25

30

35

40

45

50

Demanda de vaporConsigna de presión de vaporConsigna de exceso de oxígenoConsigna de nivel de agua

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implícita en el modelo de la caldera, que emula cambios en las características energéticas delcombustible.

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

35

40

45Presión de vapor y consigna (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

40Oxígeno en exceso y consigna (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 12030

35

40

45

50Nivel de agua y consigna (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60Combustible (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80Aire (%)

Tiempo (min)

Caso referenciaCaso a evaluar

0 20 40 60 80 100 1200

50

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:

• cic2017_controladorXXX.mdl:ArchivoSimulinkconelbloquecontrolador.• cic2017_fase1_controlador.mat: Archivo de datos Matlab con la parametrización

requerida por su bloque controlador. Advertencia: Tengan cuidado con estaparametrización,puesseráloúnicoquepodráncambiarenlafase2.

• Conjunto auxiliar de archivos *.m, *.p y *.mat: Archivos Matlab necesarios para laejecución del controlador propuesto. Advertencia: Tengan en cuenta que estosarchivosnolospodránmodificarenlafase2.

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• cic2017_ControlCalderaXXX.pdf:Documentopdfdescribiendolapropuestadecontrolconel formatoestablecidoen lasbasesdel concurso.Advertencia:noolvidenhacermenciónexplícitadelíndiceobtenidoporsucontrolador.

4ª)Tipodeevaluaciónenlafase1.Todaslasestrategiasdecontrolparticipantesenlafase1delconcursosesometeránalmismopatróndemovimientosenlasvariablesindependientesde la figura5 conelobjetivode computarun índice relativode funcionamiento.Condichopatrón 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.Seguimientode consignas.Elsistemadecontrolserácapazde llevara lacalderaaotropuntodeoperación,diferentealdelapartado3,comoconsecuenciadeuncambiobruscoentodasoalgunasdelasconsignasysinquehayacambiadolademandadevapor.Capacidadparaatenderunademandadevaporcambianteenel tiempo.Elsistemadecontrolconseguiráquelacalderaseacapazdeatenderunademandadevapordiferentealadelpuntodeoperacióndelapartado3,sinquesealterensignificativamentelapresióndevapor,lacombustiónyelniveldeaguaenelcalderín.

5ª)Clasificaciónde los concursantes.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.

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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 5.10, alejado del “Casoreferencia”.Estemalresultadosedebeprincipalmentealasdesviacionesobservadasenlastresvariablescontroladas.

6ª)Tipodeevaluaciónyentregablesen la fase2.Todoslosequiposquehayanconseguidopasar a la fase 2 del concurso someterán sus controladores a un mismo patrón demovimientosenlasvariablesindependientes,almenosdentrodesucategoría.Patrónquesepublicaráaliniciodeestafaseyseráligeramentediferentealempleadoenlafase1.Elúnicoentregable en esta fase 2 será el archivo cic2017_fase2_controlador.mat para que losevaluadorespuedan reemplazar fácilmente losparámetrosdecontrolempleadosen la faseclasificatoria.7.Documentación.En este apartado se relacionan y comentan los archivos que los concursantes podrándescargardesde:http://www.dia.uned.es/~fmorilla/CIC2017/.3archivospdf:CIC2017_Bases.pdf,CIC2017_Descripcion.pdfy

Pellegrinetti_Bentsman96.pdf1archivomdl: cic2017_boiler_control.mdl2archivosm: cic2017_prueba_control_caldera.m,cic2017_evalua_control_caldera.m3archivosp: cic2017_boiler.p,cic2017_controller.p,cic2017_evaluaJcaldera.p5archivosmat:cic2017_fase1_boiler.mat,cic2017_fase1_entradas.mat,,cic2017_

fase1_controlador.mat,cic2017_caso_referencia.mat,cic2017_caso_evaluar_malo.mat

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Figura8:Opcionesempleadasysugeridasporlaorganizaciónparaelalgoritmodeintegraciónenlasexperienciasdecontrolconlacaldera.

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

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

Seruegaalosconcursantesquenotifiquencualquierincompatibilidadquedetectenconotrasversionesy/oconlasopcionesempleadasysugeridasporlaorganizaciónparaelalgoritmodeintegraciónenlafigura8.CIC2017_Bases.pdf.Documentoconlasbasesdelconcurso.CIC2017_Descripcion.pdf.Eslaversiónelectrónicadeestedocumento.Pellegrinetti_Bentsman96.pdf. Versión electrónica del artículo de G. Pellegrinetti y J.

Bentsmanenelqueestáinspiradoelmodelodelacaldera.cic2017_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 archivoscic2017_fase1_boiler.matycic2017_fase1_entradas.mat.Advertencia:Losconcursantespuedenexplorarelcontenidodelbloque“CALDERA”siquieren tenermás información de las características del modelo, pero no deberían

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modificarlo, salvo para pruebas concretas, puesto que el modelo sobre el que seevaluaránsuscontroladoresesúnico,elmismoparatodoslosconcursantes.

cic2017_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).Y0esunvectorcolumnadetrescomponentesenelrangode0al100%,contienelosvaloresinicialesdelastressalidasdelacaldera(Presióndevapor,ExcesodeoxígenoyNivelenelcalderín,poreseorden.

cic2017_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=5 s, sin embargo los concursantes pueden realizar sus propiasexperienciasconotrosvaloresdets.

cic2017_prueba_control_caldera.m. Programa en Matlab que se facilita para que los

concursantespuedanrealizarexperienciasdecontrolsobre lacalderasobreelpuntode operación habitual. El esqueleto de este programa contiene cinco partes biendiferenciadas:en laprimeraparte,cargando losarchivoscic2017_fase1_boiler.matycic2017_fase1_entradas.mat, se incorpora la información que define del punto deoperacióny lascondicionesnecesariasparagenerarelpatróndemovimientosde las

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variablesindependientes.Enlasegundaparteseparametrizaelcontrolador,cargandoelarchivocic2017_fase1_controlador.mat.Enlatercerapartesepreparaelvectordetiemposyseejecutalasimulación.Enlacuartaparteseguardanlosresultadosdelasimulación en el archivo cic2017_caso_evaluar.mat para su posterior análisis oevaluación. Y en la quinta parte se presentan resultados de la simulación encomparaciónconelcontroladordereferenciayseevalúaelíndicedefuncionamientorelativo.Elarchivocic2017_fase1_controlador.matsefacilitaúnicamenteamododeejemplo,podría(peronoeselcaso)contenerlaparametrizacióndelcontroladordereferencia.El archivo cic2017_caso_evaluar.mat, como el generado con el controlador dereferencia cic2017_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, excesodeoxígeno y nivel de agua en el calderín), y las últimas tres columnas registran laevolucióndelasconsignasdeestastresvariablescontroladas.Advertencia:Losconcursantespuedenmodificarelcontenidodeesteprograma,perodeberían limitarseamodificar lascondicionesdesimulacióny losparámetrosdesuscontroladores.

cic2017_evalua_control_caldera.m Programa en Matlab que se facilita para que los

concursantes 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 lasmismascondicionesdesimulaciónlegenerenuníndicerelativoligeramentediferentea la unidad. El archivo cic2017_caso_evaluar.mat no se ha facilitado, lo tendrándisponible cada vez que ejecuten la simulación, en su lugar encontrará el archivocic2017_caso_evaluar_malo.matporsiquierereproducirlosresultadosdelasfiguras5 y 6, o por si los concursantes quieren comparar sus diseños con este otrocontrolador(mássimpleypeorajustadoqueeldereferencia).

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cic2017_boiler.p S-Función, en formato codificado deMatlab para proteger su contenido,quemodelalacaldera,esutilizadaenelbloque“CALDERA”delafigura3.Recibecomoparámetros:Y0,[U0D0].

cic2017_controller.pS-Función,enformatocodificadodeMatlabparaprotegersucontenido,

quemodelaelcontroladordereferencia.cic2017_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 cic2017_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 y C. Rodríguez. Concurso en Ingeniería de Control 2016 (CIC2016).(http://servidor.dia.uned.es/~fmorilla/CIC2016/)