Diseño de controlador para cortadora rotativa de cartón corrugado

Abstract

La cortadora rotativa de cartón corrugado (RCO, por sus siglas en inglés) es una máquina que genera láminas de diferentes longitudes por medio de cortes transversales a la superficie del cartón. Está conformada, principalmente por unmotor DC acopladomecánicamente con unos rodillos que generan un corte en cada revolución. En términos generales, un operario introduce la longitud de referencia y la RCO genera una lámina con una longitudmuy cercana al valor deseado; la diferencia entre las dos longitudes se conoce como refile. Uno de los objetivos del proceso de producción es mantener el refile en un rango permitido con el fin de disminuir el consumo dematerial. Una longitud de corte, que cumpla con los requisitos de producción, se obtiene a partir de un perfil de velocidad del rodillo de corte. De esta manera, se puede generar un perfil de referencia en función de la velocidad del cartón, la posición angular de la herramienta de corte y el material que se ha desplazado en lamáquina desde el último corte. La planta a controlar se compone, principalmente, de un convertidor de potencia; un motor DC con circuitos independientes; un subsistema mecánico compuesto básicamente por un tren de engranajes y rodillos que generan el corte del cartón; y sensores paramedir la corriente y velocidad delmotor. El objetivo principal de esta tesis es diseñar un sistema de control que genere un perfil de referencia y seguimiento para producir láminas que cumplan con los requisitos de producción. A lo largo de este trabajo se presentan tres estrategias de control para cumplir con el objetivo planteado. En la primera parte se diseñan controladores por métodos clásicos. En segundo lugar se diseña un controlador basado en realimentación de variables de estado. La tercera estrategia se basa en técnicas de control robusto. En cada capítulo se presentan las gráficas del perfil de seguimiento y se analiza el refile que se obtiene con cada controlador a partir del modelo nominal. En la última parte de la tesis se analiza la respuesta de los controladores ante incertidumbres en el modelo. El análisis de robustez se realiza a partir de incertidumbres paramétricas en el motor y multiplicativas en el actuador y los sensores. Posteriormente se analiza la estabilidad y/o desempeño robusto de los controladores ante el conjunto de plantas inciertas que pueden presentarse. La tesis culmina con un resumen de los principales aspectos tratados en este trabajo. Se presentan las ventajas y limitaciones de los controladores con base en los resultados de simulación e índices de desempeño y las gráficas de lazo cerrado que se obtienen con cada uno de ellos. También se presentan los aportes de esta tesis con respecto a estudios similares que se han realizado sobre este tema. Finalmente se proyecta el trabajo que puede continuarse a partir del desarrollo alcanzado con esta tesis. / Abstract. The Rotary Cut Off (RCO) is amachine that produces sheets of varying lengths through cross section cuts to the surface of the cardboard. The main parts are: a DC motor mechanically connected with rollers which generate a cut on each revolution. An operator enters the reference length and the RCO produces a sheet with a length very close to the desired value, the difference between the two lengths is known as scrap. One of the objectives of the process is to keep scrap in a small value in order to reduce the consumption ofmaterial. A sheet which meets the requirements of production is obtained from a velocity profile of the cutting roller. So, it is possible to generate a reference profile depending on the speed of the board, the angular position of the cutting tool and the material that has been transported through the machine fromthe last cut. The plant is conformed, mainly, of a power converter, a DC motor with separately excited circuits, amechanical subsystemwith a train of gears and rollers that produce the cutting on the board, and sensors to measure current and motor speed. The main objective of this thesis is to design a control system that generates a reference profile and follow-up to produce sheets that meet the production requirements. Throughout this thesis three control strategies are presented to meet the control objective. First, the controllers are designed by classical methods. The second design is a controller based on feedback state. The third strategy is based on robust control techniques. In each chapter there are graphs of the tracking profile and the scrap of each nominal model is revised. In the latter part of the thesis the response of the system to uncertainties in the model is analyzed. The robustness analysis includes parametric uncertainties in the motor and multiplicative uncertainty in the actuator and sensors. Then the stability and robust performance of the controllers is analyzed to the set of uncertain plants thatmay arise. The thesis ends with a summary of the main issues addressed in this work. The advantages and limitations of the controllers are presented according the simulation results and performance indices obtained with each of them. Also, the contributions of this thesis are presented according to similar studies that have been conducted on this topic.