Control de Nivel Planta FESTO - Instructivo - Modelo

7/29/2019 Control de Nivel Planta FESTO - Instructivo - Modelo

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Laboratorio de Control AutomticoControl de Nivel, Planta FESTO Pg. 1

INSTITUTO TECNOLGICO DE COSTA RICAESCUELA DE INGEIERA ELECTRNICACURSO: LABORATORIO DE CONTROL AUTOMTICOPROYECTO: CONTROL DE NIVEL DE LA PLANTA FESTOPROFESOR: ING. EDUARDO INTERIANO

ESTUDIANTES: D. CHACN, A. CHACN, J. JIMENEZ.

PLANTA FESTO: MODELO MATEMTICOCONTROL DE NIVEL

Tema: Clculo del modelo matemtico para el control del nivel de lquido de la planta

FESTO.

Figura 1. Planta FESTO.

Recursos:1. Planta FESTO con mdulo para el control de nivel de lquido (Bomba, Sensor

Ultrasnico, PLC Siemens CPU 313C S7-300, Vlvula Neumtica, tanques 10 L,vlvulas manuales, tubera, compresor de aire).2. Osciloscopio Agilent InfiniiVision 2000X.3. Memoria Flash formato FAT32.4. 2 Puntas de prueba 10:1.5. Computador con Matlab e Ident instalado.6. Computador con Simatic S7 y driver del PLC instalado.


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Descripcin del trabajo:

El objetivo de este instructivo es obtener el modelo matemtico que describe elcomportamiento del nivel de agua en los tanques de la planta FESTO al inyectar agua de untanque a otro por medio de la bomba. Para llevar a cabo esta tarea primero se debe

programar el PLC con el fin de utilizar la bomba para introducir agua del tanque B101 altanque B102 y el sensor ultrasnico para determinar el nivel de llenado durante elexperimento. Una vez hecho esto con ayuda del osciloscopio se capturan los datos paraobtener la respuesta del sensor de nivel ante los impulsos provistos por la bomba.Posteriormente se procesan los datos obtenidos con el osciloscopio con ayuda del softwareMatlab, y con la herramienta Ident, para identificar y estimar el modelo adecuado yverificarlo.

Funcionamiento mecnico de la planta:

Antes de iniciar con el trabajo, debe conocerse el funcionamiento mecnico deplanta, el cual se detalla en los siguientes puntos que hacen referencia al esquemapresentado en la figura 2:

1. El agua se almacena en tanque B101.2. El control de nivel de agua se lleva a cabo en el tanque B102.3. La bomba, lleva el agua hacia el tanque B102, por lo que antes debe abrirsemanualmente la vlvula V101. (Nota: si la bomba no est trabajando el agua del tanqueB102 se devuelve por este camino al tanque B101, por lo que se recomienda en caso de

usarse cerrar la vlvula V101)4. El sensor ultrasnico LIC B101 es quien determina el nivel de agua que seencuentra en el tanque B102.5. La perturbacin al sistema se realizan por medio de la vlvula manual V110. (Nota:esta no debe de abrirse por completo ya que la bomba no posee la capacidad de compensardicha salida).6. Otra perturbacin se puede realizar por medio de la vlvula neumtica V102, para locual primero debe de abrirse manualmente la vlvula V112 e inyectar aire comprimido alsistema para generar al menos 5 var.7. Para vaciar el sistema se abre manualmente la vlvula V105.


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Figura 2. Diagrama de la Planta FESTO, para el control de nivel de lquido.

Parte I: Preparacin del equipo

Paso 1) Encienda la PC que se encuentra en el laboratorio junto a la planta.

Paso 2) Verifique que el cable de programacin de la planta est conectado tanto al PC pormedio de USB, como a la planta por medio de RS-232.

Paso 3) Calibre las puntas de prueba del osciloscopio, utilizando las seales de prueba que

este ofrece, la seal debe verse totalmente cuadrada para una buena calibracin.

Paso 4) Conecte la planta FESTO, y verifique que la fuente DC que posee esta se encuentreencendida tambin.


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Paso 5) Configure la planta FESTO de forma manual tal como indica la tabla 1 acontinuacin, apyese en la figura anterior y las etiquetas de la planta:

Tabla 1. Ajustes de la planta FESTO para el experimento.

Funcin Propiedades Comentario

Tanque

B101

Nivel de agua a 9.5Litros

Debe llenar este tanque completamente, para elloabra la vlvula V110 y espere, luego cirrela.

Tanque

B102

Nivel de agua a 0.5Litros

Este tanque debe estar aproximadamente a 0.5Litros, para eso use la vlvula V110, recuerde

cerrarla al terminar.Vlvula

V112Cerrada Debe cerrarse de forma manual

Vlvula

V102 Desactivada No debe programarse en el PLC

Vlvula

V110Cerrada Debe cerrarse de forma manual

Vlvula

V105Cerrada

Debe cerrarse de forma manual, esta se usa encaso de que se sobrepasen los 10 Litros en el

tanque B101Vlvula

V101Abierta

Debe abrirse de forma manual, si la bomba estapagada, el agua regresa por este canal

Llave

AUTOMAN

Desactivada

(Posicin vertical)

Debe girar esta llave en sentido contrario a las

manecillas del reloj, de modo que quede enposicin vertical.

InterruptorPLC

RunColoque el interruptor del PLC en la posicinRun, si en algn momento requiere detener la

planta puede colocarlo en Stop.

Nota importante: Las dems vlvulas ajenas al experimento deben mantenerse cerradaspara no afectar la trayectoria del agua.


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Parte II: Programacin del PLC para la obtencin del modelado de la planta

Programacin inicial:

Tanto para la obtencin del modelo de la planta como para la programacin del

controlador de nivel es necesaria una configuracin inicial de un nuevo proyecto; esta semuestra a continuacin mediante una serie de pasos:

Paso 1) Inicio Programas SIMATIC SIMATIC Manager

Figura 3. Correspondiente al Paso 1


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Paso 2) File New


Paso 3) [Name: Control_Nivel] [Type: Project] [Storage location: C:\Programs\Siemens\Step7\S7_Proj] OK



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Paso 4) Insert Station2 SIMATIC 300 Stations


Paso 5) [+] Control_Nivel SIMATIC 300(1) (click dentro de la estacin) Hardware(doble click)



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Paso 6) [+] SIMATIC 300[+] RACK-300Rail (doble click)


Paso 7) [+] SIMATIC 300 [+] CPU -300 [+] CPU 313C 6ES7 313-5BE01-0AB0(doble click).Nota: Debe dar click en algn espacio de la casilla (0) UR antes de realizarel doble click.



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Paso 8) Module: CPU 313C (doble click) Cycle/Clock Memory [() Clock memory][Memory Byte: 100]


Paso 9) Retentive Memory [Number of Memory Bytes : 0] [Number of S7 Timer :0][Number of S7 Counters : 0]



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Paso 10) Cyclic Interrupts [OB35: Execution: 50] OK


Paso 11) Station Save and Compile



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Paso 12) PLC Download


Paso 13) Se elige CPU 313COK



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Paso 14) MPI address: 2OK


Paso 15)OK a las pantallas que se presente y YES si solicita un reinicio del PLC.



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Paso 16) Station Exit


Paso 17) [+] SIMATIC 300(1) [+] CPU 313C S7 Program (1) (click) Symbols(doble click)



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Paso 18) Editar todos los siguientes smbolos:


Tabla 1. Smbolos editados.

Symbol Address Comment

Entradas del Panel

de ControlSTART E125.0 Start button Touch panel

STOP E125.1 Stop button Touch panel

AUTOMAN E125.2Auto/Manu switch Touchpanel

RESET E125.3 Reset button Touch panel

Entradas analgicas

a la estacinAI_Level PEW 752 Analog input channel 0 level

sensorSalidas lgicas de

la estacinPumpPres A124.2

Pump preset = 0=digital/1=analog

Valve A124.0 Solenoid ball valveSalidas analgicas

de la estacinAQPump PAW 752

Analog output channel 0pump

Paso19) Symbol Table

Save

Symbol Table

Exit


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Programacin de los bloques para el experimento:

Ahora nos enfocaremos en la programacin del PLC con el fin de crear unexperimento que nos permita obtener el modelado experimental de la planta. Para esto sepresenta una breve descripcin de lo que va a realizar cada uno de los bloques que se van a

programar y seguidamente contine con las instrucciones que se le presentan:

Descripcin de las Networks en el bloque organizacional OB1

Network1: La funcin de este bloque est en habilitar que la bomba trabaje de formaanalgica, ya que esta puede trabajar digital o analgicamente. En forma digital la bombanicamente se apaga o se enciende a su mximo valor (10V); sin embargo, en formaanalgica podemos regular su funcionamiento en un rango de 0-10V.

Network2: La funcin de este bloque es MOVER el valor que est en la entrada a laentrada de la bomba, en otras palabras le enviamos el valor de tensin a la que deseamosque la bomba trabaje, en este caso enviamos 27648 correspondiente a 10V en la bomba. Encuanto al negado de la entrada de STOP, se da ya que este botn enva cuando no estpresionado un 1 lgico y cuando si un 0 lgico; nosotros deseamos que cuando activemosel botn de STOP la bomba funcione al mximo.

Network3: Cumple la misma funcin que el bloque anterior con la diferencia de queenviamos a la bomba una tensin de 6750 correspondiente a 2.44V cuando no se presioneel botn STOP. La finalidad es que la bomba mantenga bombeando un nivel de agua que

contrarreste el flujo de agua que se devuelve por la tubera cuando est completamenteapagada, ello debido a la presin del agua en el tanque 102.


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Paso 1) [+] SIMATIC 300(1) [+] CPU 313C [+] S7 Program (1) Blocks (click)


Paso 2) Insert S7 Block 1 Organization Block.Nota: si ya existe solo ejecute dobleclick sobre OB1 o eliminarlo y volver a crearlo.



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Paso 3) [Name: OB1] [Created in Language: FBD] OK OB1 (doble click)


Paso 4) Damos click derecho en el espacio vaco debajo de Comment: de la Network 1 Insert Empty Box



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Paso 5) Seleccionamos & (doble click)


Paso 6) Seleccionamos la entrada inferior del bloque y con click derecho lo cortamos



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Paso 7) En la entrada (??.?) del bloque introducimos Automan y damos doble click.


Paso 8) Introducimos otra Empty Box con =



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Paso 9) Damos un click en la entrada del bloque = y sin soltar el click arrastramos hastala salida del bloque & y luego soltamos.


Paso 10) Al bloque = en la parte superior lo declaramos como PumpPres



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Paso 11) Insert Network (click)

Paso 12) Damos click derecho en el espacio vaco debajo de Comment: de la Network 2 Insert Empty Box


Paso 13) Seleccionamos Move (doble click)



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Paso 14) Negamos la entrada EN selecionandola Insert FBD Language ElementsNegate Bin. Input (click)



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Paso 15) En la entrada EN asignamos el botn STOP


Paso 16) En el caso de IN introducimos el siguiente nmero: 27648 (ENTER)



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Paso 17) En la salida OUT asignamos AQPump


Paso 18) Realizamos para los pasos 12,13 para una nueva red (Network 3), omitimos elpaso 14, y luego realizamos los pasos 15, 16, en el paso 17 cambiamos el 27648 por 6750.


Nota: Antes del paso 19 verifique que la llave Automan esta desactivada (posicin

vertical).

Paso 19) PLC Download


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Parte III: Experimento

Paso 1)Gira la llave deAUTOMANa la derecha para iniciar. Una vez hecho esto la bombacomenz a trabajar a muy bajo nivel, ahora debe esperar a que el nivel de agua en el tanqueB102 se estabilice, en nuestro caso fue de 3.5 Litros aproximadamente. Puede acelerar el

proceso presionando el botn de STOP pero tenga cuidado de no sobrepasar el valor.

Paso 2)Mientras se alcanza esta estabilidad se sugiere ajustar las propiedades delosciloscopio como se muestra en la tabla 3. Ud. puede modificar estos ajustes paraadecuarlos a su experimento si es necesario.

Tabla 3. Ajustes del osciloscopio.

Funcin Propiedades Comentario

Ajustes

del canal1

5 voltios por divisin

Punta de prueba 10:1 La seal de la bomba vara de 0 a 10 V.

Ajustes

del canal

2

2 voltios por divisinPunta de prueba 10:1

La seal del sensor vara de acuerdo al nivel, puedenecesitar variarse a 5 voltios por divisin si el

tanque B102 est un poco lleno.Barrido

horizontal5 segundos por divisin Para una duracin de 50 segundos.

Retardo

del

disparo

25 segundosPara lograr que el disparo se produzca al inicio de la

pantalla.

Disparo Modo nico, canal 1,flanco de subida

La excitacin de la bomba es un evento nico.

Paso 3)Conecte el canal 1 del osciloscopio, que medir la seal de entrada de la bomba, alpunto los puntos Bomba y Referencia.

Paso 4)Conecte el canal 2 del osciloscopio, que medir la seal de salida del sensorultrasnico de acuerdo al nivel de agua, al punto S. Nivel y Referencia.

Paso 5)Presionando el botn Stop rojo presente en la planta produzca al menos 4 sealesde excitacin de entrada, con amplitud constante y duraciones en alto y en bajo variables,tal como se muestra en la figura 38 y mida con el osciloscopio. Repita el experimentotantas veces como crea conveniente hasta obtener un oscilograma parecido al de la figura38. (Nota: Evite que el agua se devuelva al tanque B101, para eso controle los tiempos deespera entre pulsos, el agua puede bajar pero no a gran escala).


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Paso 6)Guarde sus datos en formato .CSV en una memoria flash USB y dele un nombredescriptivo al archivo. (Nota: Si desea tambin puede guardar una imagen en formato .PNGo .BMP para obtener un diagrama similar a la figura 38)

Figura 38. Captura de la entrada de la bomba [V] y el nivel indicado por el sensorultrasnico [V] de la planta FESTO.

Parte IV: Formato de los datos .CSV y obtencin del tiempo de muestreo

Paso 1)Una vez copiado el archivo .CSV a la PC, debe abrirse con un editor de texto, ymodificarlo eliminando las unidades y renombrando las columnas con identificadores

simblicos adecuados tales como tiempo, para la primera columna; entrada, para la segundacolumna y salida, para la tercera columna, tal como se hizo en este ejemplo. Esto seejemplifica en la siguiente figura.

Figura 39. Ejemplo de la modificacin del archivo .CSV.


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Paso 2)Ahora se debe abrir este ltimo archivo modificado utilizando Excel,seleccionamos toda la primera columna, y nos dirigimos a la pestaa de Datos y hacemosclick en la opcin Texto en columnas.

Paso 3)En la ventana que aparece verificamos que este marcado la opcin Delimitados ypresionamos Siguiente.

Paso 4)Ahora como los datos estn separados unos de otros por , marcamos nicamentela opcin Coma y presionamos Siguiente.

Paso 5)Ahora hacemos click en el botn Avanzadas, y sustituimos el separadordecimal por . y el separador de miles por ,. Presionar Aceptar y Finalizar.

Figura 40. Ejemplo de los datos en el archivo .CSV.

Paso 6)Es importante en el inicio del archivo eliminar toda la columna de los tiemposanteriores a 0, es decir los negativos, y al final si aparecen filas de tiempo que no poseendatos de entrada y salida eliminarlas tambin.

Paso 7)Ahora para el clculo del tiempo de muestreo, nos colocamos en la columna D, fila3, y realizamos la resta del tiempo de la fila 3 y la de la 2. Escribiendo =A3-A2.

Arrastramos el resultado hasta el final de todos los datos tal y como muestra la siguientefigura.


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Figura 41. Clculo del tiempo de muestreo.

Paso 8)Verificar que todas la diferencias de tiempo sean iguales, sino no fuesen igualesdebe revisarse el archivo en busca de un error o realizar de nuevo la toma de datos delosciloscopio. Si todos son iguales como en el ejemplo ese ser nuestro tiempo de muestreoque se utilizar ms delante en Matlab, en nuestro caso es 0.025 segundos, pero vara deacuerdo a la configuracin y toma de datos.

Paso 9)Una vez determinado el tiempo de muestro debe de apuntarse, ya que esta columnadebe ser eliminada.

Paso 10)Ahora seleccione las 3 columnas, haga click sobre una de ellas e ingrese aFormato de celdas, seleccione como categora Numero y establezca que presente almenos 4 posiciones decimales.

Paso 11)Listo, el archivo se guarda en formado .XLSX ya que el formato .CSV no siemprealmacena todos los decimales.

Parte V: Estimacin y verificacin del modelo en MATLAB

Paso 1)Importe a Matlab los datos contenidos en el archivo .CSV guardado en la parte III;para ello, inicie Matlab y vaya al men File, seguidamente presiones ImportData,busque el archivo .csv o xlsx modificado, y luego oprima Open y luego Next, en lasiguiente ventana seleccione Create vectors , como se muestra en la figura 42 y luegooprima Finish. Los datos estn ahora disponibles como vectores en el workspace deMatlab. (Nota: Estos pasos varan de acuerdo a la versin de Matlab utilizada, pero la ideaes separar de nuevo los datos en vectores).


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Figura 42. Importacin de datos al workspace de Matlab en forma de vectores.

Paso 2)Para verificar que los datos se cargaron correctamente al espacio de trabajoejecutamos el comando:

plot(tiempo,entrada,tiempo,salida)

El resultado debe ser como el de la siguiente figura:

Figura 43. Grfico de los datos ingresados a Matlab.


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Paso 3)Si la salida (color verde) presenta mucho ruido como en la figura anterior se debeaplicar un filtro, ya que el ruido afecta la estimacin del modelo, sino es as salte alsiguiente paso, de ser as ejecute los siguientes comandos:

[B,A] = butter(2,63/(2*pi/0.001),'low')

salida_filtrada=filtfilt(B,A,salida)

En caso de que el nuevo vector llamado salida_filtrada no tenga semejanza a laoriginal, se pueden variar los parmetros usados para crear el filtro, para eso buscar ayudadel comando butter. Los resultados los graficamos y se presentan en la siguiente figura:

Figura 44. Grfico de los datos de salida filtrados (rojo).

Paso 4)Ahora en Matlab ejecute ident; espere unos segundos y se abrir la ventana delident, en la cual debe seleccionarImport data\Time domain data , llene los campos de laventana con los datos correspondientes a su experimento: nombres de las variables deentrada y salida tiempo de muestreo (obtenido anteriormente) y otros como se muestra en lafigura siguiente y oprimaImport. Una vez hecho lo anterior puede cerrar esa ventana. (Silos datos no se filtraron en output solo se escribe salida).


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Figura 45. Ventana para importar datos al ident.

Paso 5)En la ventana del ident, debe tener ahora un objeto, llamado mydata en esteejemplo. Este objeto contiene todos los datos del experimento, como se muestra acontinuacin. (Puede presionarse Time plotpara ver los datos grficamente).

Figura 46. Datos importados a ident.

Paso 6)Ahora los datos los seleccionaremos en dos partes, una para estimar el modelo yotra para validar los datos. Usaremos para ello la operacin Preprocess Select range,que abrir una ventana en la cual con el ratn podemos crear un rectngulo alrededor de losdatos a seleccionar (debe de tenerse en cuenta que el rango que se seleccione seacompletamente creciente, es decir que el sensor de nivel no haya indicado que el agua se


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devolvi al tanque B101) y luego oprimimos Insert; repitiendo para cada rango a crear,como se muestra en la figura; al terminar de insertar los segmentos seleccionados podemoscerrar esta ventana.

Figura 47. Seleccin de dos rangos del total de datos del experimento.

Paso 7)Al finalizar debemos tener tres objetos en la ventana del ident, el objeto originalmydata y dos ms que llamaremos mydataey mydatav como vemos en la figura.

Figura 48. Ventana del identcon los objetos de experimentoPaso 8)Ahora arrastraremos y colocaremos el segundo objeto (mydatae, color verde) en laposicin llamada Working Data y el tercer objeto (mydatav, color rojo) en la posicinllamada Validation Data (Nota: los colores pueden variar). Finalmente en la ventana del


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ident seleccionamos Estimate Process models y en esta ventana, ya que nuestromodelo presenta un comportamiento integrador, seleccionaremos la opcin de 0 polos,desmarcamos la seleccin de retardo y marcamos la opcin del integrador. Una vez hecholo anterior oprimimos el botnEstimate, el cual har que se calcule un modelo llamado P0Ique aparecer en la ventana del identcomo se muestra en la figura a continuacin.

Figura 49. Ventana del identcon los objetos de experimento y los modelos obtenidos.Paso 9)Seleccionando la opcin Model output que nos presenta el porcentaje deaproximacin entre nuestro modelo y la respuesta original como se muestra en la figura 50.Como puede observarse, el modelo P0I posee, para este caso, una aproximacin a los datos

experimentales de 98.28%.

Figura 50. Comparacin de modelos conModel output.


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Paso 10)Para exportar el modelo lo arrastramos hasta la posicin To workspace en laventana del ident. Luego en el workspace de Matlab, podemos extraer la funcin detransferencia de entrada/salida. Para extraer la funcin de transferencia usamos:

MODELO= zpk(P0I)

modelo = MODELO(1)

Paso 11)Una verificacin del modelo obtenido se puede realizar tambin graficando con lafuncin plot, de Matlab, los resultados experimentales junto a resultados de simulacinrealizados con la funcin lsim. La figura siguiente muestra esta comparacin realizada conlas sentencias mostradas a continuacin:

y = lsim(modelo,entrada,tiempo)+salida_filtrada(1)

plot(tiempo,entrada,tiempo,salida_filtrada,tiempo,y)

Figura 51. Verificacin del modelo.

Paso 12)Finalmente, obtennos la ecuacin del modelo de la planta en tiempo continuoescribiendo el siguiente comando:

modelo

Donde Matlab devolver la ecuacin en pantalla, escrbalo aqu:

() =

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