ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación

Tesis de Grado.

“Rediseño e Implementación de un Proceso Electro-Hidráulico, usado en el Laboratorio de Control Automático de la ESPOL, para controlar Velocidad y Presión mediante

Matlab-Simulink y/o Labview.”

Jorge Alarcón CadenaJonathan Jaen Solórzano

OBJETIVOS:1. Rediseñar la planta de control de velocidad que se encuentra en el Laboratorio de

Control Automático de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y en Computación (FIEC) de la ESPOL.

2. Desarrollar controles de velocidad con perturbación de carga usando la electroválvula Danfoss EV260B mediante Labview y Matlab .

3. Desarrollar controles de presión mediante Labview y Matlab.

4. Controlar la planta remotamente y localmente mediante los controles tanto de velocidad como presión, usando para la comunicación los módulos del cFP-2100 de National Instruments.

5. Implementar prácticas para el Laboratorio de Control Automático de la ESPOL.  

PLANTA DE CONTROL DE VELOCIDAD

Mejoras:

• Reservorio y Cañerias• Perturbaciones• Presión • cFP-2100: Encendido/Apagado,

Manipuleo de señales

Inicilamente la planta de control de velocidad estaba conformada por los siguientes elementos.

• Motor Trifásico de Inducción de jaula de Ardilla

• Variador de Frecuencia Micromaster 420• Taco generador• Bomba hidráulica• Targeta de Adquisicion de Datos DAQ

ELEMENTOS CONSTITUYENTES

Electrovalvula Danfoss EV260B Transductor de Presión Danfoss MBS3000

Válvula de Seguridad cFP -2100

PROCESO ELECTRO-HIDRÁULICO PARA CONTROLAR VELOCIDAD Y PRESIÓN

Mejoras realizadas: • Cañerias de Bronce • Reservorio de Acero Inoxidable• Electroválvula Danfoss EV260B• Transmisor de Presión Danfoss MBS300• Valvula de Seguridad• cFP-2100 y sus Módulos• Circuito de Control: Temporisador

Relays

CIRCUITO DE CONTROL Y FUERZA

CFP-2100 DE NATIONAL INSTRUMENTS• El manejo remoto de la planta se logra debido a que la

comunicación del cFP al control es por medio del protocolo OPC.

• El manejo de la planta en forma remota es el resultado de un trabajo complementario de tesis de grado, denominados ¨Análisis y adaptación de la tecnología de Control Abierto de Procesos (OPC) al Laboratorio de Control Automático de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación¨

Caracteristicas:

• Adquisicion y envio de datos de manera remota.• Modulos de relays y de envio y recepcion de señales

analogicas y digitales.

CFP-RLY-421

Caracteristicas:

• Módulo de salida de relés.• 8 canales de relés.• LEDs indicadores de estados de relé• Contactos normalmente abiertos.

• El encendido y apagado de la planta se lo realiza por medio del Canal 1 de modulo cFP-RLY-421.

Caracteristicas:

• Módulo de salidas analógicas de voltaje.

• 8 salidas de 0 -10 V.• Indicadores de sobrecorriente.• Operación de -40 a 70 ºC.

• La Señal de Voltaje de 0 a 10 Vdc enviada al Variador es proporcionada por el canal 1 del módulo de salidas analógicas cFP-AO-210.

CFP-AO-210

CFP-AO-200

Caracteristicas:

• Módulo de salidas analógicas por corriente

• 8 salidas de 0 - 20 ó 0 - 20 mA.• 0.5 mA de sobre rango.

• La modulación de apertura de la Electroválvula se la realiza a través del Canal Canal 0 del cFP-AO-200.

Caracteristicas:

• 8 entradas analógicas de voltaje y corriente.

• 11 rangos de voltaje de entrada: 0 - 1 V, 0 - 5 V, 0 - 15 V, 0 - 30 V, ± 1 V, ± 5 V, ± 15 V, ± 30 V, 0 – 20 mA, 4 – 20 mA y 20 mA.

• El Taco Generador (Sensor de Velocidad) y el transductor de Presion son sensados con el Canal 1 y Canal 2 del modulo cFP-AI-100 respectivamente.

CFP-AI-100

MEASUREMENT & AUTOMATION

CONTROL DE

VELOCIDAD

DESCRIPCIÓN DEL CONTROL DE VELOCIDAD.

La velocidad en el Sistema Electro-Hidráulico es una función del voltaje del Motor y de la carga.

Se usaran dos estrategias de control que son:

• Servo Control: Referencia Variable, Carga Fija.

• Control Regulador: Referencia Fija, Carga Variable.

• El motor es controlado mediante el Variador de Frecuencia Micromaster 420 de Siemens, resive 0 a 10 Voltios - envia de 0 a 1600 RPM.

• Medimos la velocidad del motor con el Tacogenerador, produciendo en sus terminales una tensión proporcional a esa velocidad instantánea, 360 revoluciones por voltios

• Las perturbaciones en el sistema son producidas por la electrovalvula, la que genera un torque de freno al motor haciendo que disminuya su velocidad.

• Esta caída de velocidad debe ser corregida por la acción del controlador.

MODELO MATEMÁTICO

Los modelos matemáticos de plantas o procesos son obtenidos mediante dos técnicas fundamentales:

• Modelamiento Teorico.A partir de leyes físicas se encuentra la función de transferencia. Las leyes son normalmente en la forma de ecuaciones diferenciales, la relación entre las señales de entrada y salida son también una ecuación diferencial. Esta última se puede transformar con la ayuda de la Transformada de Laplace para obtener la función de transferencia. El modelado teórico se utiliza sobre todo en procesos a través de los cuales, y de manera sencilla, se pueden llegar a las leyes físicas que relacionan las señales de entrada y salida .

• Identificación Experimental.A partir de diferentes experimentos prácticos se encuentra la función de transferencia para diferentes procesos.

IDENTIFICACIÓN DEL

SISTEMA DE VELOCIDAD

PUNTOS DE OPERACIÓN

Velocidad 600RPM 3.7 V

Presion 27 PSI 8.85 mA

ENCENDIDO / APAGADO DEL SISTEMA ELECTRO-HIDRAULICO

CONTROL DE MOTOR Y MONITOREO DE VELOCIDAD

SEÑAL DE CARGA

DETERMINACIÓN DE FILTRO Y TIEMPO DE MUESTREO

Td Plant

a

Filtro Ruido % Aprox Modelos

78 Mucho

0.01

3

1000 100 Alto 88 P2D

0.01

3

1000 50 Median

o

92.33 P2D

0.01

2

1000 25 Poco 94.85 P2D

DETERMINACION DEL MODELO MATEMATICOMEDIANTE SERVO CONTROL

Velocidad : Tren Pulsos 600 -700 RPMPresion : Constante 27 PSI 8.5 mA

DETERMINACION DEL MODELO MATEMATICOMEDIANTE CONTROL REGULADOR

Velocidad : Constante 600 RPMPresion : Tren Pulsos 15 a 55 PSI 6 mA a 10 mA

DISEÑO DEL CONTROLADOR

Ingresando el comando SISOTOOL(G,C,H,F).

Especificaciones de Funcionamiento:

Ts = 0.2 [seg]S.P <= 5% Ess = 0%

IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE MATLAB-SIMULINK

Servo Control

Control Regulador

IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE LABVIEW

IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE LABVIEW

SERVOCONTROL CONTROL REGULADOR

CONTROL DE

PRESION

ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PRESIÓN

La Presión en el Sistema Electro-Hidráulico es una función de la Corriente de la Electroválvula, voltaje del Motor y Temperatura del aceite Hidráulico.

DESCRIPCIÓN DEL CONTROL DE PRESIÓN.

Se usaran dos estrategias de control que son:

• Servo Control: Referencia Variable, Carga Fija.

• Control Regulador: Referencia Fija, Carga Variable.

El control está diseñado de tal manera que se pueda mantener la presión en un valor deseado; es decir punto de trabajo mediante la modulación de la apertura de la electroválvula. Se desea que este punto de trabajo se mantenga a pesar de existir perturbaciones externas, como cambios de velocidad del motor y variaciones de temperatura del aceite hidráulico.

IDENTIFICACIÓN DEL

SISTEMA DE PRESIÓN

PUNTOS DE OPERACIÓN

Presion: 27 PSI 8.85 mAVelocidad: 600 RPM 3.7 VTemperatura: 37 C

La Presión en el Sistema Electro-Hidráulico es una función de la Corriente de la Electroválvula, voltaje del Motor y Temperatura del aceite Hidráulico.

ENCENDIDO / APAGADO DEL SISTEMA ELECTRO-HIDRAULICO

ENTRADA ELECTROVÁLVULA Y SALIDA DE PRESIÓN

Tren de Pulsos Amplitud: 8. 6– 8.9mA 25 – 30 PSI Periodo: 3 Segundos Acondicionador Corriente –PSI P = (9107.128861*I) - 35.850796079.

ENCENDIDO DE MOTOR E INDICADOR DE VELOCIDAD

Voltaje Motor 600 RPM 3.7 V

DETERMINACIÓN DE FILTRO Y TIEMPO DE MUESTREO

El tiempo del sistema de presión es aproximadamente de 0.8 segundosTiempo de Muestreo: 0.003 Segundos

Señal de Presion con Ruido. Señal de Presion con Filtro.

DETERMINACION DEL MODELO MATEMATICO

DISEÑO DEL CONTROLADOR

Ingresando el comando SISOTOOL(G,C,H,F).

Especificaciones de funcionamiento:Ts = 0.8 [seg]S.P = 2% Ess = 0%

IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL DE PRESIÓN MEDIANTE MATLAB-SIMULINK

Servo Control

Control Regulador

IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL DE PRESIÓN MEDIANTE LABVIEW

IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL DE PRESIÓN MEDIANTE LABVIEW

SERVOCONTROL CONTROL REGULADOR

DEMOSTRACIÓN