Modelación y control de un sistema piloto de calentamiento de fluidos por inducción magnética

Abstract

En esta tesis se desarrolló un trabajo de modelación, simulación e implementación experimental de un sistema de control de temperatura para un equipo de calentamiento inductivo orientado a calentar fluidos de pasada. Lo anterior, con el propósito de estudiar el control de una variable de gran interés industrial: la temperatura del fluido calentado, ya que la mayoría de los procesos requieren para su operación óptima mantener un buen manejo de esta variable. Para tal efecto, se analizaron cinco estrategias de control, de las cuales cuatro de ellas corresponden a esquemas adaptables por modelo de referencia (MRAC): Control Adaptable Directo, Control Adaptable indirecto con enfoque Dinámico, Control Adaptable Indirecto con enfoque Algebraico y Control Adaptable Combinado, y otra de tipo clásica Proporcional-Integral (PI), a modo de encontrar ventajas comparativas entre sí y validar si una estrategia avanzada puede superar el desempeño de una más sencilla.

La metodología seguida consistió, en primer lugar, en la elaboración de un modelo fenomenológico detallado, dinámico y de parámetros concentrados, que considera los principales fenómenos físicos relacionados con el sistema, como el Electromagnetismo y la Trasferencia de Calor, así como el comportamiento de la variables eléctricas en el equipo de alimentación, cuyos componentes son mayoritariamente de Electrónica de Potencia. En seguida, con un modelo de planta bien definido y calibrado, se diseñaron las estrategias de control de temperatura, y posteriormente se simuló el sistema en lazo cerrado, sometiéndolo a determinados seguimientos de referencia y perturbaciones medibles y programadas. Luego, a través de indicadores comparativos de desempeño de la respuesta, sea en términos del error de control y la energía utilizada en la acción de control, entre otras, se evaluó objetivamente cuál de las estrategias reunía las características más favorables para controlar un sistema real. Finalmante, en una planta piloto de 15 [kW] se realizaron pruebas experimentales, las cuales permitieron validar tanto la controlabilidad y estabilidad de la planta, como contrastar las respuestas con el modelo propuesto.

Los resultados obtenidos en todas las actividades realizadas, demostraron que es posible implementar estrategias de control adaptable por modelo de referencia (MRAC) con resultados favorables y coincidentes, tanto a nivel experimental como en simulaciones, con un desempeño similar o mejor que una estrategia PI clásica. También, se pudo verificar que una combinación ponderada de las estrategias de control adaptable directa e indirecta constituye una mejora significativa en el desempeño de la planta, en términos de tiempos de estabilización, oscilaciones y sobrepasos. Por ello, se sugiere al esquema Adaptable MRAC Combinado como la mejor alternativa a implementar para estos sistemas de calentamiento inductivo. Finalmente, fue posible implementar herramientas sencillas de compensación de retardo en la variable controlada, producto de la ubicación del sensor con respecto a la zona de calentamiento, mediante métodos adaptables y predictivos con la incorporación del modelo, de modo de evitar en futuros diseños de equipos eventuales inestabilidades de la planta producidas por la demora en la variable controlada.

Finalmente, es importante expresar que esta Tesis se desarrolló en el marco del proyecto Fondef D05I10098, “Mejoramiento de Operaciones de Biolixiviación de Minerales de Cobre y Electro-Obtención en Plantas a Gran Altura Mediante Calentamiento de Soluciones por Inducción Magnética”.