Laboratorio de Control Autom

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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
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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.

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SISTEMA A CONTROLAR
MOTOR Trifásico de 220 V, asincrónico, motor jaula de ardilla de 0.5 HP
GENERADOR Alternador de carro con regulador de voltaje externo
CARGA Focos de carro de 12 V - 4 W
SISTEMA DE CONTROL BASICO
TABLA DE ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA
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SISTEMA TEORICO
RELACION DE VARIABLES
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SISTEMA TEORICO EN SIMULINK
SISTEMA TEORICO EN MATLAB
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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
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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.

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

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PRUEBA DE CAMPO
Potencia 0.5 Hp
Frecuencia 60 Hz
Voltaje 220 VAC ?? - 440 ? Trifásico
Corriente 1.9 - 0.95
Velocidad 1590 rpm
Factor de Servicio 1.15
Factor de Potencia 0.81
Clase de Aislamiento F
IP 55
Peso 4.7 Kg
De trabajo constante Clase de motor A
DATOS DE PLACA DEL MOTOR TRIFASICO
FRECUENCIA vs RPM DEL MOTOR
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PRUEBA DE CAMPO
Máxima potencia de salida 537 W
Máxima corriente salida a full carga 43 Amps
Mínima velocidad del rotor 1270 rpm
Máxima corriente de Campo 3,2 Amps
Corriente de dispersión a 12 volts O,2 mApms
Máxima cresta de voltaje de salida 0,26 V
DATOS DE PLACA DEL ALTERNADOR
VOLTAJE GENERADO VS VOLTAJE DE CAMPO
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Adquisición de datos utilizando XPCTarget
TARJETA DE ADQUISICIÓN
TARJETA DE DATOSPCI 6024E
PROCESO
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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
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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
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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

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MATRIZ DESACOPLADOR ESTÁTICO
INDICE DE INTERACCION



Los pares de variables interrelacionadas VgVf,
FgVc

Matriz de desacoplamiento
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Funciones de transferencia del sistema
SISTEMA A LAZO ABIERTO CON MATRIZ DE
DESACOPLAMIENTO
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Función de transferencia del sistema Fg/Vc
GRAFICA DE fg Y vc
PROCESOS DE DATOS
MODELOS ESTIMADOS
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Función de transferencia del sistema Fg/Vc
gtgtnum,dentfdata(n4s2,v)
Modelo n4s2
Función de transferencia del sistema Fg/Vc
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Función de transferencia del sistema Vg/Vf
SISTEMA A LAZO ABIERTO CON MATRIZ DE
DESACOPLAMIENTO
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Función de transferencia del sistema Vg/Vf
MODELOS ESTIMADOS
GRAFICO DE vg Y vf
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Función de transferencia del sistema Vg/Vf
gtgtnum,dentfdata(n4s1,v)
Modelo n4s1
Función de transferencia del sistema Vg/Vf
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Controladores de la planta

• Diseño del controlador del sistema Fg/Vc

TRAYECTORIA DE LAS RAICES
RESPUESTA AL COMANDO ESCALÓN
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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).

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Diseño del controlador del sistema Fg/Vc

• Sobre nivel porcentual lt 2
• Tiempo de estabilización lt 8.5 s

TRAYECTORIA DE LAS RAICES DEL SISTEMA CON EL
CONTROLADOR PI
RESPUESTA AL COMANDO ESCALON CON EL CONTROLADOR
PI
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Controladores de la planta

• Diseño del controlador del sistema Vg/Vf

TRAYECTORIA DE LAS RAICES
RESPUESTA AL COMANDO ESCALÓN
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Diseño del controlador del sistema Vg/Vf

• Tiempo de estabilización lt 2.54 s

TRAYECTORIA DE LAS RAICES
RESPUESTA AL COMANDO ESCALON CON EL CONTROLADOR
PI
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Controladores de la planta
SISTEMA A LAZO CERRADO CON CONTROLADOR
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Diseño de controladores de forma empírica

• Controlador del sistema Fg/Vc

SISTEMA A LAZO ABIERTO CON MATRIZ DE
DESACOPLAMIENTO
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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
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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
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Diseño de controladores de forma empírica
CURVA CARACTERISTICA DE UN SISTEMA

TABLA DE TENDENCIAS DE PARAMETROS
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Diseño de controladores de forma empírica
SISTEMA A LAZO CERRADO CON CONTROLADOR
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Operación del sistema
FLUJO DE SEÑAL EN MODO AUTOMATICO
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Operación del sistema
FLUJO DE SEÑAL EN MODO MANUAL
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Graficas obtenidas
FRECUENCIA
VOLTAJE
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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.

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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 FrecuenciaEs 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.

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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.

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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
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Cambio carga del Sistema (Control regulador)

• Set point voltaje 6 Vdc
• Set point frecuencia 26 Hz
• Carga 8W

CURVA DE VOLTAJE
CURVA DE FRECUENCIA
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MANUAL DE EXPERIMENTACION
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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

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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.

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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.

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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.

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Práctica 3 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.

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Práctica 3 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