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Laboratorio de Control Automático

Laboratorio de Control Automático. Diseño e Implementación de un Sistema de Control de Voltaje y Frecuencia utilizando MATLAB. María Antonia Alvarez José Luis González. Tópico de Graduación. INTRODUCCION.

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Presentation Transcript

  1. Laboratorio de Control Automático Diseño e Implementación de un Sistema de Control de Voltaje y Frecuencia utilizando MATLAB María Antonia Alvarez José Luis González Tópico de Graduación

  2. INTRODUCCION • El presente trabajo describe el desarrollo de un sistema de control automático basado en la generación de corriente eléctrica. • Variables controladas: voltaje y frecuencia de la carga final. • Variables manipuladas: voltaje de campo del alternador y velocidad del motor. • La finalidad de este proyecto es la realización de prácticas para el Laboratorio de Control Automático que se podrán realizar con el modelo físico de generación.

  3. SISTEMA A CONTROLAR SISTEMA DE CONTROL BASICO TABLA DE ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA

  4. SISTEMA TEORICO RELACION DE VARIABLES

  5. SISTEMA TEORICO EN SIMULINK SISTEMA TEORICO EN MATLAB

  6. SISTEMA TEÓRICO EN SIMULINK Frecuencia y voltaje del generador Variando velocidad del motor Frecuencia y voltaje del generador variando voltaje de campo Frecuencia y voltaje del generador variando perturbación

  7. SISTEMA TEÓRICO EN SIMULINK • La variable de velocidad del motor afecta tanto al voltaje generado como a la frecuencia generada. • La variable de voltaje de campo del generador sólo afecta al voltaje generado de manera instantánea. • La perturbación afecta indirectamente proporcional a la frecuencia generada y al voltaje generado, siendo este último más afectado en magnitud y tiempo.

  8. SIMULACION DEL SISTEMA USANDO SIMULINK MODELO DEL SISTEMA A LAZO ABIERTO

  9. SIMULACION DEL SISTEMA USANDO SIMULINK Frecuencia y voltaje del generador variando velocidad Frecuencia y voltaje del generador variando voltaje de campo Frecuencia y voltaje del generador variando perturbaciòn

  10. SIMULACION DEL SISTEMA USANDO SIMULINK • Las simulaciones muestra que las relaciones entre las variables manipuladas y las variables controladas se mantienen, • Al usar el modelo matemático de un motor DC no afecta a las relaciones entre las variables manipuladas y controladas. • Esta simulación se acerca de manera más precisa a las curvas de las variables de la planta real.

  11. PRUEBA DE CAMPO DATOS DE PLACA DEL MOTOR TRIFASICO FRECUENCIA vs RPM DEL MOTOR

  12. PRUEBA DE CAMPO DATOS DE PLACA DEL ALTERNADOR VOLTAJE GENERADO VS VOLTAJE DE CAMPO

  13. Adquisición de datos utilizando XPCTarget TARJETA DE ADQUISICIÓN TARJETA DE DATOSPCI 6024E PROCESO

  14. Curvas del sistema • Variables manipuladas: • Voltaje control del variador de frecuencia (Vc). • Voltaje de campo del alternador (Vf). • Variables a controlar: • Frecuencia del generador (Fg). • Voltaje generado (Vg). SISTEMA A LAZO ABIERTO SUBSISTEMA PROCESO

  15. Curvas del sistema Frecuencia y voltaje del generador variando voltaje de control del variador Frecuencia y voltaje del generador variando voltaje de campo Frecuencia y voltaje del generador variando perturbación

  16. Cálculo de la matriz de desacoplamiento • Sistema de control multivariable o como sistema de control múltiple-entrada, múltiple-salida (MIMO). • La interacción ocurre cuando el voltaje de control del variador de frecuencia (Vc) varía y se produce un cambio en la frecuencia del generador (Fg) y causa un cambio en el voltaje generado (Vg). • Cuando hay una variación en el voltaje de campo del alternador (Vf), al variar Vf cambia el voltaje generador pero no la frecuencia del generador. Matriz de Ganancia de Estado Estacionario Matriz de Ganancia Relativa

  17. MATRIZ DESACOPLADOR ESTÁTICO INDICE DE INTERACCION Los pares de variables interrelacionadas: Vg–Vf, Fg–Vc Matriz de desacoplamiento

  18. Funciones de transferencia del sistema SISTEMA A LAZO ABIERTO CON MATRIZ DE DESACOPLAMIENTO

  19. Función de transferencia del sistema Fg/Vc GRAFICA DE fg Y vc PROCESOS DE DATOS MODELOS ESTIMADOS

  20. Función de transferencia del sistema Fg/Vc >>[num,den]=tfdata(n4s2,’v’) Modelo n4s2 Función de transferencia del sistema Fg/Vc

  21. Función de transferencia del sistema Vg/Vf SISTEMA A LAZO ABIERTO CON MATRIZ DE DESACOPLAMIENTO

  22. Función de transferencia del sistema Vg/Vf GRAFICO DE vg Y vf MODELOS ESTIMADOS

  23. Función de transferencia del sistema Vg/Vf >>[num,den]=tfdata(n4s1,’v’) Modelo n4s1 Función de transferencia del sistema Vg/Vf

  24. Controladores de la planta • Diseño del controlador del sistema Fg/Vc TRAYECTORIA DE LAS RAICES RESPUESTA AL COMANDO ESCALÓN

  25. Diseño del controlador del sistema Fg/Vc • Necesita mejorar el error de estado estacionario y el tiempo de estabilización del sistema. • Controlador a utilizar es un proporcional integral (controlador PI).

  26. Diseño del controlador del sistema Fg/Vc • Sobre nivel porcentual < 2% • Tiempo de estabilización < 8.5 s TRAYECTORIA DE LAS RAICES DEL SISTEMA CON EL CONTROLADOR PI RESPUESTA AL COMANDO ESCALON CON EL CONTROLADOR PI

  27. Controladores de la planta • Diseño del controlador del sistema Vg/Vf TRAYECTORIA DE LAS RAICES RESPUESTA AL COMANDO ESCALÓN

  28. Diseño del controlador del sistema Vg/Vf • Tiempo de estabilización < 2.54 s TRAYECTORIA DE LAS RAICES RESPUESTA AL COMANDO ESCALON CON EL CONTROLADOR PI

  29. Controladores de la planta SISTEMA A LAZO CERRADO CON CONTROLADOR

  30. Diseño de controladores de forma empírica • Controlador del sistema Fg/Vc SISTEMA A LAZO ABIERTO CON MATRIZ DE DESACOPLAMIENTO

  31. Controlador del sistema Fg/Vc t1 a 0.283 de 28.8 es igual a 8.15 = 15 seg t2 a 0.632 de 28.8 es igual a 18.2 = 17 seg Tao = 3/2 (t2-t1) = 3/2 (2) = 3 K= AC / Am = 30 / 28.8 = 1.04 CURVA DE TRABAJO DE LA FRECUENCIA DEL GENERADOR

  32. Diseño de controladores de forma empírica • Controlador del sistema Vg/Vf t1 a 0.283 de 5 es igual a 1.42 = 17.02 s t2 a 0.632 de 5 es igual a 3.16 = 17.88 s Tao = 3/2 (t2-t1) = 3/2 (0.86) = 1.3 K= AC / Am = 6 / 5.28 = 1.136 CURVA DE TRABAJO DE LA FRECUENCIA DEL GENERADOR

  33. Diseño de controladores de forma empírica CURVA CARACTERISTICA DE UN SISTEMA TABLA DE TENDENCIAS DE PARAMETROS

  34. Diseño de controladores de forma empírica SISTEMA A LAZO CERRADO CON CONTROLADOR

  35. Operación del sistema FLUJO DE SEÑAL EN MODO AUTOMATICO

  36. Operación del sistema FLUJO DE SEÑAL EN MODO MANUAL

  37. Graficas obtenidas FRECUENCIA VOLTAJE

  38. Los elementos que puede mover el usuario • Set point Voltaje: Coloca el valor de voltaje generado en que desea que el sistema automático se setee y trabaje. • Set point de frecuencia: Coloca el valor de frecuencia generada en que desea que el sistema automático se setee y trabaje. • Span de Voltaje: En casos de desgastes de los equipos físicos este valor de ganancia permite ajustar el máximo valor deseado en voltaje generado, cabe recalcar que la diferencia máximo de ajuste es de +/- 0.5 VDC. • Span de Frecuencia: En casos de desgastes de los equipos físicos este valor de ganancia permite ajustar el máximo valor deseado en frecuencia generada, cabe recalcar que la diferencia máximo de ajuste es de +/- 0.5 VDC.

  39. Los elementos que puede mover el usuario • Switch Manual / Automático de Voltaje: Es donde se selección de que modo desea trabajar el sistema, si es de modo manual se controlará con los potenciómetro externos y si es de modo automático el sistema regulará las variables de control para llegar al set point seteado en la variable de voltaje generado. • Switch Manual / Automático de Frecuencia:Es donde se selección de que modo desea trabajar el sistema, si es de modo manual se controlará con los potenciómetro externos y si es de modo automático el sistema regulará las variables de control para llegar al set point seteado en la variable de frecuencia generada.

  40. Seguridades a seguir • No colocar objetos metálicos sobre la mesa de trabajo • Conectar bien el enchufe de torsión de la alimentación principal • No hacer contacto en borneras ni conexiones de equipos con la mano y/u objetos metálicos • No colocar las manos ni objetos cerca de las bandas • No acercarse a las bandas en movimientos • Voltaje de alimentación máximo 220 VAC trifásico • No cambiar señales de control ni de fuerza • En caso de algún daño en la maqueta, primero desconecte todo (incluso alimentación principal) y luego verifique la novedad.

  41. Comportamiento del sistema frente a variaciones del set point de voltaje (Servo control) • Set point Voltaje: 8 Vcd • Set point Frecuencia: 26 Hz CURVA DE VOLTAJE CURVA DE FRECUENCIA

  42. Cambio carga del Sistema (Control regulador) • Set point voltaje: 6 Vdc • Set point frecuencia: 26 Hz • Carga: 8W CURVA DE VOLTAJE CURVA DE FRECUENCIA

  43. MANUAL DE EXPERIMENTACION

  44. Práctica 1: Análisis de estabilidad teórica • Objetivos • Conocer como realizar una simulación con ayuda de SIMULINK de un sistema real. • Saber interpretar las curvas obtenidas del sistema simulado conociendo sus diferencias. • Obtener la función de transferencia teórica de un circuito de generación de voltaje y frecuencia; identificando el lazo cruzado

  45. Práctica 1: Análisis de estabilidad teórica • Conclusiones y Recomendaciones • Dados estos análisis nos damos cuenta que la generación de voltaje y frecuencia son estables, variando cualquiera de las dos variables de control. Que la variable de velocidad del motor afecta tanto al voltaje generado como a la frecuencia generada, y que la variable de voltaje de campo del generador sólo afecta al voltaje generado de manera instantánea. Que la perturbación afecta indirectamente proporcional a la frecuencia generada y al voltaje generado, siendo este último más afectado en magnitud y tiempo.

  46. Práctica 2: Desacopladores del sistema • Objetivos • Conocer lo que es un Sistema de variables múltiples. • Conocer la técnicas con lo cual podemos eliminar los lazos cruzados. • Obtener los desacopladores para un sistema 2 x 2.

  47. Práctica 2: Desacopladores del sistema • Conclusiones y Recomendaciones • Para un sistema MIMO se puede desacoplar el sistema por medio de de desacopladotes que ayudan a que los sistemas trabajen separados. • Al realizar el càlculo de selección por pares de variables se desea que cada variable controlada se controle por la variable manipulada con mayor influencia sobre aquella. • Se recomienda que el estudiante al tomar mediciones sean las màs precisas posibles para que al realizar los càculos obtenga la matriz de desacoplador del sistema.

  48. Práctica3: Obtención del Controlador para un sistema multivariable • Objetivos • Aprender dos formas (empírico y analítico) para la obtención de los controladores del sistema. • Conocer las ventajas y diferencias los controladores obtenidos de forma analítica y empírica. • Aprender a utilizar la herramienta SISO para el análisis del sistema y obtener el controlador con parámetros de sobrenivel porcentual y tiempo de estabilización requeridos.

  49. Práctica3: Obtención del Controlador para un sistema multivariable • Conclusiones y Recomendaciones • Al calcular los controladores de forma analítica y empírica da al estudiante dos alternativas con las que puede obtener los controladores. • La ventaja de obtener el controlador de forma empírica es que no se necesita la función de transferencia del sistema solo la curva de trabajo de la variable del sistema a controlar, esto es útil para sistemas cuyas funciones de transferencias son difíciles de trabajar. Una de las desventajas es que no se obtiene al controlador con especificaciones de sobrenivel ni de tiempo de estabilización, es un método no muy exacto. • La ventaja de obtener el controlador de forma analítica utilizando la herramienta SISO es que al trabajar con la función de transferencia del sistema a lazo abierto se obtiene un controlador más preciso y se puede determinar al controlador con especificaciones de sobrenivel porcentual y tiempo de estabilización, también se puede observar el comportamiento del sistema con análisis de la respuesta al comando Escalón

  50. GRACIAS ESPOL 16 de marzo del 2005

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