DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA PLANTA DE VELOCIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM...
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DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA PLANTA DE
VELOCIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME
WORKSHOP) DE MATLAB
JAVIER GONZALEZ
ANDRÉS VILLACÍS
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Identificación de la unidad DC SPEED CONTROL SYSTEM
Diseño de Controladores
Implementación de Controladores
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Identificación de la unidad DC SPEED CONTROL SYSTEM
Diseño de Controladores
Implementación de Controladores
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Características de la unidad de velocidad DC SPEED CONTROL SYSTEM
Motor DC MAXON
Salida en voltaje del tacómetro
Interfaz del motor
Medidor M2
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Recolección de datos de entrada y salida
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Selección de un método adecuado
Entrada tipo escalón Du
Salida del sistema Dy
Sistema de primer orden con tiempo
muerto.
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Método de identificación de Smith
Tabla de valores promedios para encontrar las constantes y ganancias
Bloque de función para realizar la identificación
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Diagrama de bloques del sistema de primer orden con tiempo muerto
Diagrama de bloques con bloques de saturación y zona muerta
Criterio de Ajuste
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Validación del modelo
Diagrama en simulink para la validación del modelo
Señal de salida de la unidad de velocidad vs modelo matemático
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Identificación de la unidad DC SPEED CONTROL SYSTEM
Diseño de Controladores
Implementación de Controladores
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Controladores
PI
PID
Digital
Predictivo
Fuzzy PI
Neuronal
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Controladores
PI
PID
Digital
Predictivo
Fuzzy PI
Neuronal
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Controlador PI y PID optimizado
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Estructura de la función de optimización:
[x,fval,exitflag,output] = fminsearch(fun,x0,opciones) Donde:
fun = función objetivo a optimizar. Puede definirse en un M-file. x0 = Valores iniciales. opciones = opciones donde se puede especificar parámetros tanto del algoritmo como de ejecución de la función.x = mínimo local de fun.fval = devuelve el valor de la función objetivo fun evaluada en la solución x.exitflag = describe la condición de salida de fminsearch.> 0 indica que la función converge a la solución.0 indica que se ha excedido el máximo número de evaluaciones de la función< 0 indica que no se ha encontrado soluciónoutput = Devuelve una estructura que contiene parámetros de la optimización efectuada.
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Diagrama en simulink DCMV_SIMPI
Configuración de parámetros para el bloque PID
Diseño del controladores PI Y PID
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Para el controlador PI:Creación de la función objetivo
Condiciones iniciales y algoritmo de optimización
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Para el controlador PID:Creación de la función objetivo
Condiciones iniciales y algoritmo de optimización
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Valores óptimos para Kp y Ki Valores óptimos para Kp, Ki, Kd
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Simulación del controlador PI Simulación del controlador PID
Pruebas controlador PI y PID con modelo matemático
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Simulación del controlador PI ante diferentes niveles de entrada
Simulación del controlador PID ante diferentes niveles de entrada
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Controladores
PI
PID
Digital
Predictivo
Fuzzy PI
Neuronal
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Diseño del controlador
Para el controlador es necesario conocer la forma de la función de transferencia del sistema.
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Concepto de ecuación característica.
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Desarrollo del controlador:
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• Para corregir el error en estado estacionario fue necesario aumentar un bloque integrador.
Controlador digital para el modelo matemático
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Salida del controlador digital a 1500 RPM
Salida del controlador digital ante diferentes niveles de set point.
Pruebas controlador digital con modelo matemático
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Controladores
PI
PID
Digital
Predictivo
Fuzzy PI
Neuronal
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Controlador Predictivo
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Función de transferencia encontrada por la herramienta ident de matlab.
Parámetro Detalle Valor
Modelo y Horizonte
Intervalo de Control 0.1
Horizonte de
Predicción 10
Horizonte de Control 4
Restricciones
Entrada : VoltajeMin: 3
Max: 6.5
Salida: TemperaturaMin: 500
Max: 1500
Pesos
Overall 0.6
Varianza del peso 0.1
Velocidad 1
Tabla de datos de diseño del controlador predictivo necesarios para la herramienta mpctool
Diseño del controlador Predicativo
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Diagrama en simulink con bloque mpctool para el controlador predictivo
Señal de salida del controlador a varios niveles de set point
Pruebas controlador Predicativo con modelo matemático
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Controladores
PI
PID
Digital
Predictivo
Fuzzy PI
Neuronal
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La lógica difusa tiene como objetivo expresar el conocimiento común en un lenguaje matemático regido por la teoría de conjuntos difusos y funciones de pertenecía.
Arquitectura básica de un controlador difuso.
Controlador PI FUZZY
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Para el diseño del controlador Difuso se utilizó el FIS Editor de Matlab.
Diseño del controlador PI FUZZY.
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Para el error se determinaron 3 valores lingüísticos: EN: error negativo EZ: error ceroEP: error positivo
Para el la integral del error se determinaron 3 valores lingüísticos: IEN: integral del error negativo IEZ: integral del error ceroIEP: integral del error positivo
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Para los valores de salida del controlador se determinaron 5 valores lingüísticos: VGN: velocidad grande negativa.VPN: velocidad pequeña negativa.VZ: velocidad cero.VPP: velocidad pequeña positivo.VPP: velocidad grande positivo.
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Reglas
1si(error es negativo y cambio de error es negativo)entonces salida grande negativo
2si(error es negativo y cambio de error es cero)entonces salida pequeño negativo
3 si(error es negativo y cambio de error es positivo)entonces salida cero
4si(error es cero y cambio de error es negativo)entonces salida pequeño negativo
5 si(error es cero y cambio de error es cero)entonces salida cero 6 si(error es cero y cambio de error es positivo)entonces salida pequeño positivo 7 si(error es positivo y cambio de error es negativo)entonces salida cero 8 si(error es positivo y cambio de error es cero)entonces salida pequeño positivo
9si(error es positivo y cambio de error es positivo)entonces salida grande positivo
Desarrollo de las bases de reglas
Al ser un controlador PI FUZZY, las constantes Kp y Ki fueron encontradas por medio de un algoritmo de optimización.
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Pruebas controlador PI FUZZY con modelo matemático
Diagrama en simulink para el controlador PI FUZZY
Señal de salida del controlador a varios niveles de set point
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Controladores
PI
PID
Digital
Predictivo
Fuzzy PI
Neuronal
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Controlador neuronal por modelo de referencia
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MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Diseño del controlador neuronal
Se identifica la unidad de velocidad por medio de una red neuronal, usando un conjunto de valores que realiza la identificación de la misma.entrada=2:7; estado=240:100:1573;Pm=combvec(estado,entrada);timestep=5;Tm=[];length(Pm)
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Los patrones de entrenamiento están definidos en la matriz Pm mientras que la matriz de objetivos está definida por la matriz Tm
for i=1:length(Pm) Vin=Pm(2,i); Vel_in=Pm(1,i); sim('Velocidad_Modelo',[0 timestep]); dVel=Vel_out-Vel_in Tm=[Tm [dVel]];end
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Al determinar la red de neuronal que identifica la planta se realizó una comparación con la planta original:
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MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
•El modelo usado para el control es un modelo de primer orden como el de la planta, donde podemos controlar su tiempo de establecimiento.
•Se definió una constante de retardo de tiempo en este modelo de referencia de Tau igual a4 segundos; después de varias pruebas con diferentes valores, se determino este valor.
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MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Red total de control
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Pruebas controlador neuronal con modelo matemático
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Identificación de la unidad DC SPEED CONTROL SYSTEM
Diseño de Controladores
Implementación de Controladores
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
Implementación del controlador PI
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM
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Implementación del controlador PID
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Implementación del controlador Digital
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Implementación del controlador Predictivo
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Implementación del controlador PI FUZZY
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Implementación del controlador Neuronal
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•El entrenamiento continuo en diferentes técnicas de control es una de las tareas que como ingenieros debemos tener siempre en mente, ya que la tecnología avanza a pasos agigantados y cada vez es más sencilla su diseño e implementación.
•La unidad de velocidad DC Speed Control System es una herramienta que permitió realizar la implementación de las diferentes técnica de control generando respuestas aceptables.
•El uso de una técnica de identificación de Smith, ha generado una función de transferencia con una respuesta acorde a las necesidades del proyecto.
•Los algoritmos de optimización como el fminsearch, son técnicas poco usadas al momento de realizar un controlador, no obstante al implementarlo en los controladores PI, PID y PIFuzzy han generando respuestas muy aceptables.
Conclusiones
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
•El control predictivo, neuronal y PIfuzzy son técnicas de control inteligente que gracias a las herramientas de Matlab no fue necesario realizar un análisis matemático detallado de cada una de las técnicas.
•Para el controlador predicitivo y neuronal por modelo de referencia, fue necesario utilizar un modelo matemático que describa la dinámica del modelo real.
•Para el controlador por redes neuronales, se observo que se debe tener un modelo matemático que genere una dinámica aproximada a la que genera la unidad de velocidad.
•Al final del proyecto se desarrollo una interfaz gráfica que permite fácilmente realizar todos los pasos requeridos para la implementación de controladores en la unidad DC Speed Control System.
Conclusiones
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
•Se recomienda dar un mantenimiento preventivo y correctivo a todos los elementos del Laboratorio, ya que por ser equipos antiguos tienden a generar fallas.
•Se debe utilizar el presente proyecto en una versión de Matlab 2010 b, ya que si se la utiliza con una versión menor los programas no van a poder ejecutarse de manera correcta.
•Se recomienda utilizar los controladores únicamente en un rango de 1.4 a 9 voltios, de esta manera los controladores realizarán sus acciones de control de forma correcta. •Se recomienda utilizar los controladores predictivos para procesos con respuesta lenta, ya que este tipo de controlador necesita de un tiempo de cálculo para obtener su señal de control.
Recomendaciones
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PARA LA UNIDAD DC SPEED CONTROL SYSTEM
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE LA HERRAMIENTA RTW (REAL-TIME WORKSHOP) DE MATLAB
•El control predictivo, neuronal y PIfuzzy son técnicas de control inteligente que gracias a las herramientas de Matlab no fue necesario realizar un análisis matemático detallado de cada una de las técnicas.
•Para el controlador predicitivo y neuronal por modelo de referencia, fue necesario utilizar un modelo matemático que describa la dinámica del modelo real.
•Para el controlador por redes neuronales, se observo que se debe tener un modelo matemático que genere una dinámica aproximada a la que genera la unidad de velocidad.
•Al final del proyecto se desarrollo una interfaz gráfica que permite fácilmente realizar todos los pasos requeridos para la implementación de controladores en la unidad DC Speed Control System.
Conclusiones