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
Parámetro Formato/Rango
Voltaje de activación solenoide 120 VAC
Tamaño de salida 1/4 de pulgada
Consumo de energía 12 W
Bomba de agua
POMPETRAVAINI MCM20161
Parámetro Formato/Rango
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
Parámetro Formato/Rango
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
Parámetro Formato/Rango
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
Modelo difuso de ‘Takagi-Sugeno’
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
Modelo difuso de ‘Takagi-Sugeno’
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
Descripción del Software “Temperatura”
Salida de control del motor
Bloque de control del nivel bajo
Descripción del Software “Temperatura”
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
Resultados de funcionamiento
Prueba de funcionamiento del control de temperatura para un SetPoint variable
Resultados de funcionamiento
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.