ES2354190T3 - Dispositivo de control de un sistema regulado y motor que incorpora dicho dispositivo. - Google Patents

Abstract

Dispositivo (10) de control de al menos una variable (V) de funcionamiento de un sistema regulado (40), incluyendo este dispositivo: - un módulo (20) de filtrado de al menos una consigna (C) proporcionada a la entrada de dicho dispositivo de control (10), utilizando este módulo de filtrado (20) un integrador de primer orden; y - un módulo (30) de corrección de dicha al menos una variable (V) por realimentación, tomando en cuenta este módulo de corrección (30) una medida de dicha variable (V) y dicha al menos una consigna (C*) filtrada por dicho módulo de filtrado (20) para generar al menos un comando (U) de dicho sistema (40); caracterizándose dicho dispositivo (10) porque incluye: - un módulo (50) de control apto para generar un factor (º) de control de ganancia a partir de al menos un parámetro (P) de dicho sistema (40) y de un valor (LFP) de límite funcional asociado a este parámetro (P); y - medios para ponderar la ganancia (K) de dicho módulo de filtrado (20) en función de dicho factor (º) y del residuo (º) entre dicha consigna (C) y su valor filtrado (C*) por dicho módulo de filtrado (20).

Description

Antecedentes de la invención

La invención se sitúa en el ámbito del control del funcionamiento de un sistema complejo.

Ésta encuentra aplicación privilegiada, aunque no limitativa, en el control de un motor.

Con carácter general, los sistemas complejos regulados responden a consignas externas, ajustando la ley de regulación unas variables de funcionamiento internas que tienden a conducir y mantener el sistema en el punto de funcionamiento conforme a las consignas.

Por ejemplo, en el caso de un motor, una consigna creciente de empuje tiene como primer efecto el de aumentar la variable representativa de la presión en la cámara de combustión del motor.

Para la regulación de un sistema complejo, es sabido utilizar una consigna filtrada mediante un filtro de primer orden, según se representa en la figura 1A.

En este ejemplo, la consigna filtrada C* es obtenida a partir de la consigna C mediante la ecuación (1) subsiguiente, en la que la ganancia K representa la dinámica del filtro y C*n−1, un valor anterior de la consigna filtrada:

C* = K × (C-C* ) + C *. (1)

n-1n−1

En la figura 1A, las referencias 21, 24 y 25 designan respectivamente: un restador, un sumador, un retardador, conocidos para el experto en la materia.

Por otro lado, los sistemas complejos incluyen, la mayoría de las veces, subsistemas cuyos parámetros internos han de mantenerse inferiores a un límite funcional, todo ello cualquiera que sea el régimen deseado de funcionamiento del sistema.

Por ejemplo, en un motor, la velocidad de rotación de una turbina nunca debe sobrepasar un valor límite predeterminado. Por tanto, se pueden producir conflictos entre la necesidad de cumplir con los límites de funcionamiento del subsistema y el objetivo de responder a las consignas.

Estos conflictos pueden ser debidos en particular a un mal conocimiento de los campos de utilización en el diseño del sistema o a una deriva con el tiempo de algunas características del sistema.

Para tratar de mitigar este problema, la técnica anterior propone unos sistemas, tales como el que está representado en la figura 1B, en el que se utiliza un saturador 26 para limitar la velocidad de los cambios de los puntos de funcionamiento y un saturador 27 para limitar la amplitud de los mismos.

Una saturación SAT sobre la velocidad de evolución de las consignas es aplicada sobre el parámetro K x (C − C*n−1), obteniéndose el valor de la consigna filtrada C* mediante la ecuación (2) que sigue:

C* = SAT (K × (C-C* )) + C *. (2)

n-1n−1

Se puede utilizar también un segundo saturador de la amplitud de evolución de las consignas, obteniéndose entonces el valor de la consigna filtrada C* mediante la ecuación (3):

C* = SAT (SAT (K × (C-C* )) + C * ). (3)

n-1n−1

Pero esta solución no es satisfactoria, ya que, si bien permite frenar el cambio de los puntos de funcionamiento para tender a la consigna, y limitar la consigna, no garantiza de ningún modo que los parámetros críticos de los subsistemas se mantengan dentro de sus límites funcionales.

Se tiene conocimiento asimismo, por el documento US4.280.083, de un sistema de realimentación que incluye medios para evitar una aceleración demasiado elevada de una parte móvil, aun cuando se le aplica una señal de entrada anómala. Objeto y resumen de la invención

La invención propone un dispositivo de control de un sistema regulado que permite tender al punto de consigna deseado, privilegiando al propio tiempo el cumplimiento de los límites funcionales de parámetros internos a ese sistema.

Más precisamente, la invención se refiere a un dispositivo de control de al menos una variable V de funcionamiento de un sistema regulado, incluyendo este dispositivo:

-

un módulo de filtrado de al menos una consigna proporcionada a la entrada del dispositivo de control, utilizando este módulo de filtrado un integrador de primer orden;

-

un módulo de corrección de la variable V por realimentación, tomando en cuenta este módulo de corrección una medida de esta variable V y la consigna C* filtrada por el módulo de filtrado para generar al menos un comando U del sistema;

-

un módulo de control apto para generar un factor � de control de ganancia a partir de al menos un parámetro P del sistema y de un valor LFP de límite funcional asociado a este parámetro P; y

-medios para ponderar la ganancia K del módulo de filtrado en función del factor � y del residuo � entre dicha consigna C y su valor filtrado C*.

Con carácter general, la ganancia del módulo de filtrado, en otras palabras, la dinámica del filtro, se ajusta de modo que el parámetro antedicho cumpla su límite funcional.

De conformidad con la invención, esta restricción es prioritaria al cumplimiento de la consigna.

En una forma de realización particular de la invención, el módulo de control obtiene el factor de control de ganancia � mediante una relación del tipo � = f(�), donde � es la diferencia entre el parámetro P y su límite funcional LFP, y f, una función afín saturada.

El experto en la materia comprenderá que la banda de paso normal del filtro se obtiene cuando � = 1.

De forma ventajosa, el factor de control de ganancia � puede adoptar valores negativos, definiendo estos la velocidad de retorno del parámetro crítico por debajo de su límite funcional en caso de superación.

De conformidad con la invención, se pueden implantar simultáneamente varias restricciones.

En esta forma particular de puesta en modalidad de la invención, el módulo de control toma en cuenta una pluralidad de parámetros del sistema y elige el factor de control de ganancia para que sea el valor mínimo de los �i, donde �i = f(�i), siendo �i la diferencia entre un parámetro Pi y su límite funcional (LFPi) y f, una función afín saturada.

En una forma de realización preferida de la invención, la diferencia entre el parámetro protegido y su límite funcional tan sólo es tomada en cuenta cuando el residuo entre la consigna y su valor filtrado es positivo (demanda de crecimiento del punto de funcionamiento), sin ponderarse la ganancia de filtro cuando el residuo es negativo (demanda de decrecimiento del punto de funcionamiento).

Esta característica permite, ventajosamente, frenar el cambio de los puntos de funcionamiento cuando el parámetro protegido se acerca al límite funcional y aplicar una dinámica normal (� no aplicado) en caso de demanda de decrecimiento de la consigna, en otras palabras, de distanciamiento con relación al límite funcional.

En una forma particular de la invención, el módulo de control fija el factor de control de ganancia en una constante con la detección de al menos un evento predeterminado.

Así, se puede cortocircuitar o inhibir la función de cálculo del factor de control de ganancia y devolverlo a su valor inicial o a otro valor predeterminado.

En una forma particular de puesta en práctica de la invención, el módulo de corrección sigue una ley de control multivariable del tipo MIP (Modelo Interno Predictivo). Este control multivariable permite tener un importante margen de estabilidad. Éste es, por otro lado, muy robusto en el caso de los sistemas de parámetro medianamente variante.

La invención se refiere asimismo a un motor que incluye dos bombas que alimentan una cámara de combustión con dos propulsantes, pudiendo ser regulado el caudal de cada uno de los propulsantes mediante una válvula, incluyendo este motor un dispositivo de control tal y como se ha mencionado anteriormente, en el que:

-

las variables V de funcionamiento son una presión PC en la cámara de combustión y una relación RM de los caudales másicos de los dos propulsantes a la entrada de la cámara;

-

las consignas C son una consigna PCC de presión en la cámara de combustión y una consigna RMC de relación de los caudales másicos de los dos propulsantes a la entrada de la cámara;

-los parámetros P son unas velocidades de rotación de las bombas; y

-los comandos U son unos comandos de ajuste de la apertura de las válvulas. Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán a partir de la descripción que sigue, con referencia a los dibujos que se acompañan, que, sin carácter limitativo alguno, ilustran un ejemplo de realización de la misma. En las figuras: Las figuras 1A y 1B ya descritas representan módulos de filtrado de consignas conocidos

por la técnica anterior; la figura 2 representa, en su entorno, un dispositivo de control conforme a la invención en una forma de realización particular;

la figura 3 representa un ejemplo de perfil del factor � de control de ganancia que puede ser utilizado en una forma de puesta en práctica particular de la invención;

la figura 4 representa un motor conforme a la invención en una forma de

realización particular; y las figuras 5A y 5B ilustran el interés de la puesta en práctica de la invención en el ejemplo

del motor de la figura 4. Descripción detallada de una forma de realización

La figura 2 representa un dispositivo de control conforme a la invención en una forma de realización particular.

En el ejemplo descrito en el presente caso, el dispositivo 10 controla una variable V de funcionamiento de un sistema regulado 40.

Supondremos que el dispositivo de control 10 recibe a su entrada una consigna C, siendo filtrada esta consigna C por un módulo de filtrado 20, señalándose la consigna filtrada con C*. La diferencia � entre la consigna C y su valor filtrado C* se denomina en adelante "residuo":

�= C-C* (4) La consigna filtrada C* es una entrada de un módulo 30 de corrección de la variable V del sistema regulado 40 mediante realimentación.

Este módulo de corrección 30 genera un comando U aplicado al sistema regulado 40. Al igual que en la técnica anterior, el módulo de filtrado 20 incluye un restador 21, un sumador 24 y un retardador 25. En el ejemplo descrito en el presente caso, éste incluye asimismo dos saturadores 26, 27 opcionales, cuyos efectos son idénticos a los descritos con referencia a la figura 1B.

Pero, de conformidad con la invención, la ganancia K del módulo de filtrado 20 se puede ponderar en función del residuo � y de un factor de ponderación �, �1 al objeto de garantizar que un parámetro crítico P del sistema regulado 40 cumpla un límite funcional LFP.

A tal efecto, el dispositivo de control conforme a la invención incluye un módulo 50 que recibe a su entrada el valor del parámetro P del sistema regulado 40.

En el ejemplo de realización descrito en el presente caso, el módulo de control 50 incluye un procesador 51 apto para determinar si se produce un evento predeterminado.

Si tal es el caso, el procesador 51 fija el factor de ponderación igual a una constante �1.

Por el contrario, si no se detecta ningún evento predeterminado, el procesador 51 genera un factor � de control de ganancia mediante una relación � = f(�), donde � es la diferencia entre el valor del parámetro P y el límite funcional LFP de este parámetro, memorizándose este límite LFP en el módulo de control 50.

Posteriormente se describirá un ejemplo de perfil del factor � con referencia a la figura 3. A continuación vamos a describir en detalle el cálculo de la ponderación de la ganancia K del módulo de filtrado en el ejemplo de realización descrito en el presente

caso.

En este ejemplo, pueden producirse dos casos en función del signo del residuo �.

Cuando el residuo es positivo (�+), la consigna filtrada C* se obtiene, a la salida del multiplicador 29, por la ecuación (5), cuando el módulo de control 50 ha detectado un evento EV o por la ecuación (6), en caso contrario:

C* = C*n 1+ K .�+ .�1 (5)

-

C* = C *n-1+ K .�+ .� (6) En el ejemplo de realización descrito en el presente caso, cuando el residuo � es negativo (�−), no se pone en práctica la ponderación de ganancia. En tal caso, la consigna filtrada C* se obtiene por la ecuación (7). C* = C *n-1+ K .�− (7) En el ejemplo de realización descrito en el presente caso, el módulo 30 de corrección incluye medios 32 para generar el comando U según una ley de control del tipo Modelo Interno Predictivo, adquiriendo este módulo 32 a su entrada, por una parte, la consigna filtrada C* y, por otra parte, la variable V de funcionamiento del sistema 40. El sistema regulado 40 incluye dos puertos 41, 42 que, respectivamente, permiten al módulo de control 50 y al módulo de corrección 30 obtener el valor del parámetro crítico P que se va a supervisar y el valor de la variable V de funcionamiento de este sistema. En la figura 3, se ha representado un ejemplo de perfil del factor � de control de ganancia utilizado para ponderar la ganancia K* del módulo de filtrado 20, cuando el residuo � es positivo. Este factor � se obtiene mediante una relación del tipo � = f(�), donde � es la diferencia entre el parámetro P y su límite funcional LFP y f, una función afín saturada. En el ejemplo descrito en el presente caso, se definen dos valores �MIN y �MAX tales que:

-Si � es superior a �MAX, entonces � = 1; y

-si � es inferior a �MIN, entonces � = − 0,5.

Este perfil define un intervalo de ralentización de la dinámica de prosecución cuando � queda comprendido entre �MIN y �MAX y dos fases de rápidas evoluciones de estas dinámicas cuando el parámetro P se aleja de su límite de funcionamiento LFP.

La figura 4 representa un motor conforme a la invención.

Este motor incluye dos depósitos de propulsante referenciados con 131 y 132, aguas arriba de sendas bombas 111, 112. El caudal de cada uno de estos propulsantes se puede regular mediante una válvula 121, 122.

En la forma de realización descrita en el presente caso, este motor incluye un controlador 105 adaptado para obtener:

-

una medida del caudal DE1 de propulsante aguas arriba de la bomba 111;

-

una medida del caudal DE2 de propulsante aguas arriba de la bomba 112; las velocidades RT1 y RT2 de rotación de las bombas 111, 112 y la presión PC en la cámara de combustión 100. El controlador 105 está adaptado para generar comandos VR1 y VR2 de control de la apertura de cada una de las válvulas 121, 122.

En este ejemplo, el controlador 105 recibe dos consignas, a saber, una consigna PCC referente a la presión en la cámara de combustión 100 y una consigna RMC referente a la relación de los caudales másicos de los dos propulsantes a la entrada de la cámara de combustión 100.

El controlador 105 supervisa pues permanentemente el valor de los parámetros regulados, a saber, la presión PC en la cámara de combustión 100 y la relación RM entre los caudales DE1 y DE2 aguas arriba de las bombas 111, 112.

El controlador 105 constituye un dispositivo controlador en el sentido de la invención en el que:

-

las variables de funcionamiento son la presión PC en la cámara de combustión y la relación RM de los dos caudales de propulsante;

-

las consignas son la consigna PCC referente a la presión en la cámara de combustión y la relación RMC de los caudales de propulsantes a la entrada de esta cámara;

-

los parámetros críticos supervisados son las velocidades RT1 y RT2 de rotación de estas bombas, siendo asociados estos parámetros con límites funcionales memorizados en el controlador 105; y

-

los comandos son los comandos de ajuste de la apertura de las válvulas 121 y 122.

Así, la invención permite ajustar el posicionamiento de las válvulas 121 y 122 para hacer que las variables reguladas PC y RM converjan hacia el vector de consigna (PCC; RMC), quedando sujeta esta regulación al cumplimiento del límite funcional de rotación de las bombas 111 y 112.

La invención reviste un particular interés cuando estos órganos internos del motor se degradan, degradación ésta que acarrea un régimen excesivo de las velocidades RT1 y RT2 de rotación de las bombas.

En tal caso, la invención permite limitar la velocidad de rotación de las bombas sin sobrepasar sus límites funcionales, aun a riesgo de no cumplir las consignas PCC de presión y RMC de relación de propulsantes.

Las figuras 5A y 5B ilustran el interés de la invención.

En la figura 5A, se ha representado el funcionamiento de un motor del tipo del de la figura 4, cuando no está puesta en práctica la invención.

Resulta manifiesto, en la parte inferior de la figura 5A, que las variables reguladas "presión en la cámara (PC)" y "relación de caudales de propulsantes (RM)" siguen tendiendo hacia la consigna, aun si los parámetros internos del motor, a saber, las velocidades de rotación de las bombas (RT1, RT2) sobrepasan sus límites funcionales RTL1, RTL2 y entran en una zona crítica de funcionamiento ZC.

La figura 5B representa el funcionamiento del motor de la figura 4.

Resulta manifiesto en la parte superior de la figura 5B que las velocidades de rotación de las bombas 111, 112 nunca alcanzan los límites de funcionamiento RTL1, RTL2.

Esto se hace posible mediante la regulación de la dinámica de prosecución de la consigna por parte del filtro, ralentizándose o frenándose esta consigna en cuanto la velocidad de rotación de una bomba alcanza un valor RT0 predeterminado. El experto en la materia comprenderá, con referencia a la figura 3, que el valor RT0 verifica la ecuación (8):

�= RTL1− RTL (8)

MAX o

Se aprecia, en esta figura 5B, que se elige primar la velocidad de rotación de las bombas en vez del cumplimiento de la consigna.

Claims (7)

1. Dispositivo (10) de control de al menos una variable (V) de funcionamiento de un sistema regulado (40), incluyendo este dispositivo:

-

un módulo (20) de filtrado de al menos una consigna (C) proporcionada a la entrada de dicho dispositivo de control (10), utilizando este módulo de filtrado (20) un integrador de primer orden; y

-

un módulo (30) de corrección de dicha al menos una variable (V) por realimentación, tomando en cuenta este módulo de corrección (30) una medida de dicha variable (V) y dicha al menos una consigna (C*) filtrada por dicho módulo de filtrado (20) para generar al menos un comando (U) de dicho sistema (40);

caracterizándose dicho dispositivo (10) porque incluye:

-

un módulo (50) de control apto para generar un factor (�) de control de ganancia a partir de al menos un parámetro (P) de dicho sistema (40) y de un valor (LFP) de límite funcional asociado a este parámetro (P); y

-medios para ponderar la ganancia (K) de dicho módulo de filtrado (20) en función de dicho factor (�) y del residuo (�) entre dicha consigna (C) y su valor filtrado (C*) por dicho módulo de filtrado (20).

2.

Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho módulo de control (50) obtiene dicho factor (�) mediante una relación del tipo � = f(�), donde � es la diferencia entre dicho parámetro (P) y dicho límite funcional (LFP) y f, una función afín saturada.

3.

Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho módulo de control (50) toma en cuenta una pluralidad de parámetros (Pi) de dicho sistema (40) y porque dicho factor (�) se elige para que sea el valor mínimo de los �i, donde �i = f(�i), siendo �i la diferencia entre un parámetro Pi y su límite funcional (LFPi) y f, una función afín saturada.

4.

Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la ganancia (K) de dicho módulo de filtrado (20) no es ponderada cuando dicho residuo (�) es negativo (�−).

5.

Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado

porque dicho módulo de control (50) fija dicho factor (�) en una constante (�1) a la detección de al menos un evento (EV) predeterminado.

6.

Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado

5 porque dicho módulo de corrección (30) sigue una ley de control multivariable del tipo Modelo Interno Predictivo.

7. Motor que incluye dos bombas (111, 112) que alimentan una cámara de combustión (100) con dos propulsantes, pudiendo ser regulado el caudal de cada uno

10 de dichos propulsantes mediante una válvula (121, 122), caracterizado porque incluye un dispositivo de control según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que:

-dichas variables (V) de funcionamiento son una presión (PC) en dicha

cámara de combustión (100) y una relación (RM) de los caudales másicos de los dos 15 propulsantes a la entrada de dicha cámara (100);

-dichas consignas (C) son una consigna (PCC) referente a la presión en dicha cámara de combustión (100) y una consigna (RMC) referente a la relación de los caudales másicos de los dos propulsantes a la entrada de dicha cámara (100);

-dichos parámetros (P) son unas velocidades (RT1, RT2) de rotación de 20 dichas bombas; y

-dichos comandos (U) son unos comandos (VR1, VR2) de ajuste de la apertura de dichas válvulas (121, 122).