IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA CONTROL DIFUSO DE TEMPERATURA Y CAUDAL

IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA CONTROL DIFUSO DE TEMPERATURA Y CAUDAL

Autor: WILMER TIPANLUISA

Temas a tratar

Introducción

Materiales y Métodos

Control de temperatura

Control de caudal

Resultados de funcionamiento

Conclusiones y Recomendaciones

Introducción Industria

Matemáticas

EmulaCompatible

Materiales y Metodos Medidor de Flujo

Sensor Siemens Sitrans F M Mag 5100 W Transmisor Siemens Sitrans F M Mag 6000i

Se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética

U = D x B x v

Medidor de flujo

Parámetro Formato/Rango

Frecuencia principal 60 Hz

Dirección de flujo Positivo

Caudal Máximo (Qmax) 50 l/min

Salida de corriente on

Sensor de temperatura

Sensor de temperatura Allen Bradley 873E

Basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio.

0.003850 Ωx(1/ Ω)x(1/ºC)

Rt=Ro(1 + αt)

Sensor de temperatura

Función Parámetro Valor Especificaciones

BASE

UNIT °C Unidad de medida

ZERO 10.00 Ajuste a 0ºC

DISP PVMuestra la variable seleccionada(temperatura actual)

OUT FUNC 4—20 Selección de tipo de Salida

GETL 20.0 Temperatura mínima

GETU 50.0 Temperatura máxima

Electroválvulas

Electroválvula de 1/4 de pulgada


Voltaje de activación solenoide 120 VAC

Tamaño de salida 1/4 de pulgada

Consumo de energía 12 W

Bomba de agua

POMPETRAVAINI MCM20161


Potencia 1.5 hp

Frecuencia de funcionamiento 60 Hz

Voltaje de alimentación 220/380 VAC

Consumo de corriente 4.9/2.8 A

Rendimiento 110 l/min

Salida de agua Tubo de 3/4’

Entrada de agua Tubo de 11/4’

Se basa en la transformación de la energía mecánica de un impulsor rotatorio en energía cinética .

Variador de frecuencia

Variador de frecuencia Starvert iG5


Control de motores Hercios

Aplicación Regulación de velocidad de lazo abierto

Capacidades de potencia 0.25…5 hp

Temperatura ambiente -10 – 40 °C

Capacidad de sobrecarga150% durante 60 seg.

200% durante 3 seg.

Rango de frecuencia 0…240 Hz

Entradas analógicas Cantidad: 1 (voltaje unipolar)

Salidas analógicas Ninguno

Entradas digitales Cantidad: 5 (24 VCC, 2 programables)

Modo de arranque

Frecuencia de salida

Tiempo de aceleración y

desaceleración

Potencia del motor

Control

Conexión del variador de frecuencia

Variador de frecuencia

Niquelina

Resistencia eléctrica o niquelina


Voltaje de alimentación 120 VAC

Potencia 1500 Watts

Tarjeta de adquisición de datos

Conector SCB-68.

Cable NI SHC68-68-EPM.

Fundamentos de Lógica Difusa

Días de fin de semana

Conjunto difuso

Conjunto Clásico

Conjunto Clásico

Conjunto difuso

Conjuntos difusosOPERACIONESINTERSECCION (AND)

UNION (OR)

COMPLEMENTO (NOT)

Operaciones entre conjuntos difusos

INTERSEECION (AND)

COMPLEMENTO(NOT)

μA(x) ∩μB(x)=Min(μA(x) ,μB(x))μA(x) UμB(x)=Max(μA(x) ,μB(x))¬μA(x)= 1 –μA(x).

UNION (OR)

Sistemas De Lógica Difusa

Modelos difusos Modelo Mamdani

Si x1 es A1 and x2 es A2 and....and xn es An Entonces y es Bn

Modelo difuso de ‘Takagi-Sugeno’

Si x es A and y es B Entonces Z = f(x,y)

Una vez que las reglas han sido establecidas, un FLS puede ser expresado cuantitativamente como Z = f(x).

,

wi = Min (μA(x),μB(x))

Zi = contrante que resulta de wi


error⁄ ∫e(t) dt Mn N c P Mp

Mn Muy baja Muy baja Muy baja Muy baja Muy baja

N Muy baja Muy baja Muy baja baja Media

C Muy baja Muy baja baja media Alta

P Baja Media alta Muy alta Muy alta

Mp Media Alta Muy alta Muy alta Muy alta

Base de conocimiento

Función de pertenencia

Control de temperatura

Diagrama de instrumentación

Control de temperatura Potencia requerida

m: masa(kg)Cp: Calor especifico del agua

( )Variación de temperatura ( )

Modelo matemático

Diseño del control de TemperaturaKp Ti Td

P 0,5Kc - -

PI 0,45Kc Pc/1,2 -

PID 0,6Kc Pc/2 Pc/8

Parámetros de controladores PID según el método de oscilación de Ziegler-Nichols

R(s) Kc G(s)Y(s)

+

-

Esquema de Control.

Diseño del control de Temperatura

kc=2,5 se tiene un período de oscilación Pc=16 seg

Diseño del control de Temperatura

Las ganancias GE, GCE y GU para la sintonía de un controlador PD difuso a partir de los parámetros del PI convencional, propuesto por Jan Jantzen [5] son:

R ControladorDifuso

Planta De Temperatura

Sensor

e(t)

U +

-

GU

GIE

Lazo de control para la planta de temperatura.

Control de caudal

Diagrama de instrumentación

Modelo matemático Tipo de flujo

Si el número de Reynolds es mayor 3000, el flujo es turbulento. El flujo es laminar si el número de Reynolds es menor que 2000.

Re = Numero de Reynoldsd = Diámetro del ducto v = Velocidad promedio del

liquido = Densidad del líquidou = Viscosidad del liquido

Modelo matemático

v(t) VFD qi(t)

Modelo no lineal.

Diseño del control difuso

Respuesta en lazo cerrado para una ganancia k=3.

Para un Kp=3= Kc tenemos un período de oscilación Pc=16 seg

Diseño del control difusoLas ganancias GE, GCE y GU para la sintonía de un controlador PI difuso a partir de los parámetros del PI convencional propuestas por Jan Jantzen son:

GE=0.5

R ControladorDifuso

Planta De Caudal

Sensor

e(t)

U +

-

GU

GIE

Lazo de control para la planta de Caudal

Conexiones del sistema

Adaptación de señales

Planta

PCPCI 6221SHC68 EPM

CONECTORSCB 68

Conexiones del sistema

Conector SCB 68

EntradasSalidas

A2 A3 D7 D6 D5 D4

Matlab® RTW

PCI 6221

Acoplamiento de las senales

D3 D2 D1 A1

D1: Salida PWM para el control de temperatura (P0.0)D2: Salida de activación de la bomba1 (P0.1)D3: Salida de activación de la bomba2 (P0.2)D4: Entrada del nivel bajo del tanque de temperatura (P0.3)D5: Entrada del nivel alto del tanque de temperatura (P0.4)D6: Entrada del nivel bajo del tanque de reserva (P0.5)D7: Entrada del botón de emergencia (P0.6)A1: Salida para el control del motor trifásico (AO 0)A2: Entrada del valor actual del sensor de temperatura (AI 0)A3: Entrada del valor actual del sensor de Caudal (AI 1)

Descripción del Software “Temperatura”

Salida PWM a partir del control difuso

Obtención de la temperatura realLazo de control de la planta de temperatura


Salida de control del motor

Bloque de control del nivel bajo


Bloque de control del nivel alto

Descripción del Software “Caudal”

Lazo de control de caudal

Salida de control aplicada al variador de frecuencia.

Dato de entrada del sensor


Prueba de funcionamiento del control de temperatura para un SetPoint variable


Prueba de funcionamiento del control de caudal para un SetPoint variable

Conclusiones El modelo Mamdani difuso para sistemas complejos no lineales usualmente requiere muchas

reglas difusas Si-Entonces, lo que aumenta su complejidad. Para el control difuso se utilizó el modelo Takagi-Sugeno ya que este puede representar

relaciones complejas y no lineales en un conjunto con un pequeño número de reglas difusas en comparación con el modelo Mamdani.

El modelo matemático ayuda a realizar la simulación del sistema de una manera rápida y segura si se desea probar un controlador antes de ejecutar físicamente y no causar algún daño en caso de no estar bien realizado el control.

Debido a que Simulink no es un programa dedicado al desarrollo de interfaces de usuario, se dificultó en muchas ocasiones la asociación de variables o valores de interés para el monitoreo del control.

Se comprobó que el control difuso se puede aplicar de manera rápida sin realizar el modelamiento matemático del sistema solo en base a la experiencia del operario.

El control de temperatura se complico debido a su inercia térmica, ya que si se lo calienta demasiado la única manera de enfriarlo es ingresando agua fría esto provoca un cambio brusco en la temperatura.

La aplicación de un PWM es una solución al control de temperatura ya que este ayuda a mantener más estable la temperatura y evita variaciones bruscas.

Una manera de sintonizar el control PID difuso es mediante el criterio integral de error cuadrático para de esta manera saber cuáles son las ganancias más apropiadas para el controlador.

Las ganancias para un PID difuso se las pueden hallar mediante una relación con las ganancias del PID clásico propuestas por Jan Jantzen.

Recomendaciones Revisar el manual de usuario antes de realizar algún

trabajo sobre el módulo didáctico utilizando la tarjeta de adquisición de datos de National Instruments.

Conectar y encender todas las fuentes de alimentación necesarias para el funcionamiento del módulo didáctico.

Tener cuidado al manipular el módulo didáctico ya que se maneja corrientes elevadas en especial para el control de temperatura.

Estudiar y conocer en su totalidad lo que se está realizando antes de ejecutar cualquier actividad, para evitar algún daño a los instrumentos.

Usar programas de software libre para evitar problemas de licencias.

IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA CONTROL DIFUSO DE TEMPERATURA Y CAUDAL

Documents

Transcript of IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA CONTROL DIFUSO DE TEMPERATURA Y CAUDAL