ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Please download to get full document.

View again

of 200
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Categories
Published
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO EN INGENIERÍA DESARROLLO
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO EN INGENIERÍA DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES INTELIGENTES EN LA PLANTA MULTI- TANQUE DEL LABORATORIO DE SERVOMECANISMOS. AUTORES: LUIS ARMIJOS E. DARIO CHICAIZA T. SANGOLQUÍ-ECUADOR 2011 CERTIFICACIÓN Certificamos que el siguiente proyecto titulado Desarrollo e implementación de controladores inteligentes en la planta Multi-tanque del laboratorio de servomecanismos fue desarrollado en su totalidad por el Sr. Luis Alfredo Armijos Espín con C.I y el Sr. Dario Ricardo Chicaiza Tobar con C.I bajo nuestra dirección. Ing. Víctor Proaño DIRECTOR Ing. Galo Guarderas COODIRECTOR RESUMEN El presente documento describe la aplicación de las teorías de control inteligente para el control de nivel del sistema Multi-tanque de la marca Inteco. Los controladores inteligentes implementados se basan en la teoría de la lógica difusa y redes neuronales. Adicionalmente se utiliza la teoría de algoritmos genéticos para la identificación de los parámetros del modelo matemático. La planta Multi-tanque fue satisfactoriamente habilitada para ello se tuvo que analizar y verificar el funcionamiento de cada uno de los componentes del sistema Multi-tanque. AGRADECIMIENTO Agradezco a Dios y la Virgencita del Cisne por haberme traído está aquí, dado vida y salud para realizar este proyecto, gracias por darme una familia tan hermosa, uno amigos y amigas tan geniales. A mi madre María Espín y a mi padre Manuel Armijos por tenerme tanta paciencia, por soportarme todos los días y acompañarte en todos los momentos de mi vida, gracias en verdad. Gracias por apoyarme es todos los sueños. Los amo A mis por mis hermanas bellas Jenny y Este por preocuparse de mi todos los días, ayudarme en todo lo que pueden. Muchos momentos fueron difíciles pero supimos salir adelante y a pesar de todos los problemas que venían. A la luz que apareció en vida, mi sobrina Damaris quien marcó un antes y un después en mi vida, una niña con quién yo he aprendido mucho. A mi Tío Ramiro Armijos quién nos ayudó en muchos proyectos de la universidad. Gracias a toda mi familia Agradezco a mis amigos, compañeros, conocidos porque cada persona que conozco son valiosas para mí porque de esas personas aprendo así haya sido unos minutos, simplemente soy lo que soy gracias a esas personas. Gracias en verdad por compartir los mejores momentos de mi vida, nunca los olvidare y siempre me acordaré de la universidad. Un gusto y un honor conocerlos. Agradezco a mis todos profesores por impartir sus enseñanzas, su experiencia y sobre todo por enseñarnos a ser profesionales honestos y responsables. Agradezco al Ingeniero Víctor Proaño y al Ingeniero Galo Guarderas por tenernos paciencia y ayudarnos en la realización de este proyecto. También al Ingeniero Don Luchito quien nos brindo su ayuda en momentos cruciales de nuestro proyecto. Gratias Ab imo pectore Gracias desde el fondo de mi corazón Luis Alfredo Armijos Espín DEDICATORIA Dedico este proyecto a Dios y la Virgencita del Cisne la cual me acompaño desde el inicio de la carrera, en momentos buenos y sobre todos en los malos. Muchas veces la vimos difícil pero supimos salir adelante. Dedico este proyecto toda mi familia por estar a mi lado siempre en las buenas y las malas, en mis aciertos y en mis errores. Por brindarme momentos inolvidables por ser la fuerza y luz de mi vida. Dedico este proyecto a todos mis amigos y amigas los cuales me brindaron una mano cuando más lo necesitaba. Gracias en verdad nunca me cansare de decirlo. Dedico este proyecto a toda esa gente que lucha por sus sueños, que nunca se rinden y siguen adelante a pesar de las adversidades a pesar de tener tantos problemas muestran una sonrisa y siguen adelante. Gente valiente que a pesar de tener miedo, lo hacen, se arriesgan por sus sueños y pesar de no lograrlo, siguen intentando hasta alcanzarlos. Esa gente que lucha todos los días por salir adelante, gente que abandona sus sueños para sacar adelante a las personas que mas quieren. Dedico este proyecto a toda esa gente que brinda una mano amiga sin algún compromiso, sin ningún interés sin esperar nada a cambio y que entregan siempre todo de si mismo. Dedico este proyecto a mi equipo del alma Emelec el cual me dio muchas alegrías las cuales me ayudaron mucho en mi carrera, siempre las llevare conmigo. Luis Alfredo Armijos Espín AGRADECIMIENTO Seguramente este documento quedaría corto para agradecer a todas las personas que de una u otra manera forman parte de mi vida y fueron el combustible que movió esta pesada carrocería llamada ingeniería, desde cuando apenas era solo un proyecto de vehículo. Una mención especial: Al Todo Poderoso por regalarnos ese don llamado Libre Albedrío y a mi cuerpo por soportar los descuidos propios de inconsecuente juventud. Al mis amorosos Padres por darme las alas para explorar los caminos de la vida y a la vez quitármelas cuando la realidad supera la utopía con la que mi filosofía de vida se alimenta. A las leonas de mi vida, mi madre y mis hermanas, que fieles a su naturaleza cuidan de lo más amado con ferocidad y ternura, LAS AMO Y LAS ADORO. A los Ingenieros Víctor Proaño y Galo Guarderas por ser parte de este proyecto, brindando su conocimiento y experiencia de una manera desinteresada. Agradezco al Ingeniero Don Luchito quien nos brindo su ayuda en momentos cruciales de nuestro proyecto. Un Gracias Totales, como lo diría Gustavo Cerati o un Ashoshe pague, como lo diría Yo cuando apenas era un guagua. Darío Ricardo Chicaiza Tobar DEDICATORIA Más que una dedicatoria quiero compartir este proyecto que es el fin de todo un proceso de vida, con la Carita de Dios Quito, cuidad que me albergó en su cuna, me cobija con su historia y cada día me inspira con su mística, Azul y Grana mi corazón. Además quiero compartir y dedicar este proyecto a todos los niños y niñas ecuatorianos que por la injusticia y desigualdad con que maneja este mundo, no tienen la posibilidad de educarse y más aún de realizar sus sueños y construir su vida con amor a lo que les apasiona. Desde lugar donde me desenvuelva quiero trabajar por ustedes, Que el fuego no se extinga!!!. A mis sobrinos Jhon Paul Y Julian, no pretendo ser un ejemplo ni mucho menos un espejo en el que se reflejen, solo quiero compartir con Ustedes esta alegría y satisfacción de haber culminado y haber avanzado un peldaño más en las escaleras de la vida. Las Actitudes logran lo que las aptitudes hacen pero con el triple se satisfacción. Darío Ricardo Chicaiza Tobar PRÓLOGO La Escuela Politécnica del Ejército posee un sistema Multi-tanque el mismo que permite investigar las distintas teorías de control en un ambiente amigable para el alumno. Esto significa que el alumno puede centrarse exclusivamente en la determinación de los resultados que corresponden a los controladores y no al diseño de la planta en sí. El sistema permite investigar el desempeño de controladores inteligentes como son los de lógica difusa, algoritmos genéticos y redes neuronales. El presente proyecto describe los componentes y el funcionamiento del sistema Multi-tanque, además del diseño en el que se usa la teoría de algoritmos genéticos para la identificación de los parámetros de las electroválvulas como parte del desarrollo del modelo matemático y finalmente la implementación de los controladores de lógica difusa y redes neuronales. ÍNDICE DE CONTENIDO RESUMEN... 3 PRÓLOGO... 8 ÍNDICE DE CONTENIDO... 9 INDICE DE FIGURAS INDICE DE TABLAS CAPÍTULO INTRODUCCIÓN Sistema Multi-tanque Controladores inteligentes Controlador difuso Controlador con algoritmos genéticos (AG) Controlador con redes neuronales CAPÍTULO DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA MULTI-TANQUE Descripción de la interfaz de potencia del sistema Multi-tanque Descripción de la parte externa de la interfaz de potencia del controlador Descripción del interior de la interfaz de potencia del controlador Descripción de los elementos internos de interfaz de potencia del controlador Etapa de acondicionamiento para los sensores de nivel Etapa de potencia para salidas (electroválvulas y bomba de agua) Etapa de alimentación de la planta Multi-tanque Elementos exteriores a la interfaz de potencia del controlador Descripción y análisis de sensores de nivel Descripción y análisis electroválvulas Descripción y análisis bomba de agua... 66 2.3.4 Descripción de la tarjeta de adquisición y control RT-DAC4/PCI Puntos de prueba Puntos de prueba fuente de alimentación Puntos de prueba en las entradas Puntos de prueba en la etapa de potencia de alimentación a electroválvulas y motor DC. 78 CAPÍTULO MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA MULTI-TANQUE Descripción del sistema Identificación de los parámetros del sistema Curva característica de la bomba DC Identificación de los parámetros de las electroválvulas con algoritmos genéticos Resultados de la identificación de los parámetros de electroválvulas con AG Verificación PRÁCTICA del modelo Modelo de simulación Modelo real Vs. Modelo Simulado CAPITULO DISEÑO DEL CONTROLADOR DIFUSO Descripción del problema a resolver Procedimiento Selección de variables de entrada y salida Rango de operación de las variables de entrada Definición de las funciones de pertenencia Fuzzificación Desarrollo de la base de reglas Rango de operación de las variables de salida Simulación del controlador difuso Implementación del controlador Sintonización del controlador PI Difuso Análisis de resultados Análisis de ganancias Análisis de comportamiento de la electroválvula según la ganancia Kp Comparación del modelo simulado y modelo implementado CAPÍTULO DISEÑO DEL CONTROLADOR CON REDES NEURONALES Descripción del problema Controlador neuronal modelo de referencia (CN MR) Definición del problema Obtención de la red neuronal de identificación Obtención de los patrones de entrenamiento con el modelo de referencia lineal Obtención de la red neuronal de control Entrenamiento de la red neuronal Simulación del controlador neuronal Implementación del control neuronal Controlador directo red neuronal inversa (Cn Ri) Definición del problema Obtención de los patrones de entrenamiento Entrenamiento de la red neuronal Simulación del control neuronal Implementación del control neuronal Análisis de resultados Tiempo de muestreo Comparación entre controlador simulado y implementado Comparación entre controlador MR y controlador RI CAPÍTULO CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS INDICE DE FIGURAS Figura 1.1.Sistema Multi-tanque Figura 1.2. Planta Multi-tanque Figura 1.3. Componentes de la planta Multi-tanque Figura 1.4. Forma de los tanques de la planta Multi-tanque Figura 1.5. a) Bomba DC b) electroválvula Figura 1.6. a) Sensor de nivel, b) interfaz electrónica Figura 2.1. Componentes Sistema Multi-tanque Figura 2.2. Interfaz de potencia del sistema Multi-tanque Figura 2.3. Parte frontal de la interfaz de potencia del sistema Multi-tanque Figura 2.4. Parte posterior de la interfaz de potencia Figura 2.5. Acometida y fuentes de alimentación de 12 y 24 [VDC] Figura 2.6. Tarjeta y conexiones de la etapa de potencia Figura 2.7. Tarjeta RTDAC4 de la interfaz de potencia Figura 2.8. Tarjeta RTDAC4 de la interfaz de potencia Figura 2.9. Diagrama de flujo de acondicionamiento de sensores Figura Diagrama electrónico de la etapa de acondicionamiento Figura a) Señal de entrada FOUT b) Señal de salida 2-DATA IN Figura Diagrama de bloque del circuito integrado ADuM Figura Señal de salida 6-DATA OUT Figura Etapa de potencia del sistema Multi-tanque Figura Diagrama electrónico de la etapa de potencia Figura Denominación de pines del circuito integrado circuito integrado LTV Figura Denominación de pines del circuito integrado MC34151D Figura a) Señal de entrada b) Señal de salida del MC34151D Figura Denominación de cada pin del MOSFET IRLR024N Figura Señal de salida que actúa sobre los actuadores Figura Fuentes de alimentación de tarjeta y sensores Figura Conversor de DC/DC 24[VDC] a 12[VDC] y 5[VDC] Figura Presión vs Nivel Figura Sensor de nivel Figura Interfaz electrónica del sensor de nivel Figura Diagrama de flujo de la interfaz electrónica Figura Diagrama electrónico de la interfaz electrónica Figura Sensor de presión MPX2010D Figura Presión diferencial de entrada vs voltaje de salida Figura Denominación de cada pin del Circuito integrado AD Figura Denominación de cada pin del Circuito integrado REF Figura Denominación de cada pin del Circuito integrado AD Figura a) Señal de entrada b) Señal de salida del conversor Figura a) Electroválvula proporcional b) Simbología Figura Curva característica de la electroválvula proporcional Figura Bomba de agua Figura Curva característica de la bomba de agua Figura a) Diagrama de esquemático b) Tarjeta RT-DAC4/PCI Figura Puntos de prueba etapa de alimentación Figura Diagrama electrónico de la interfaz electrónica con puntos de prueba. 72 Figura Diagrama electrónico con los puntos de prueba Figura Ventana manual setup... 79 Figura Diagrama electrónico de la etapa de potencia Figura 3.1. Configuración de la planta Multi-tanque Figura 3.2. Modelos de sistemas de tanques a) Sistema controlado por bomba, b) Sistema controlado por válvulas, c) Sistema controlado por bomba y válvula Figura 3.3. Bloque de identificación de la bomba DC Figura 3.4. Curva característica de la bomba DC Figura 3.5. Principio de identificación de los parámetros de las electroválvulas Figura 3.6. Diagrama de flujo del Algoritmo genético Figura 3.7. Adaptación media para la identificación del parámetro CCCC Figura 3.8. Identificación CCCC = 22, y αααα = 00, Figura 3.9. Identificación CCCC = 66, y αααα = 00, Figura Identificación CCCC = 22, y αααα = 00, Figura Curvas Características de CCCC y αααα Figura Curvas Características de CCCC y αααα Figura Curvas Características de CCCC y αααα Figura Vista interna del modelo matemático Figura Vista interna del subsistema Tanque Figura a) Modelo Simulado b) Modelo Real Figura 4.1. Tanques del sistema Figura 4.2. Esquema general del controlador difuso Figura 4.3. Modulo de simulación de la Planta Multi-tanque Figura 4.4 Modulo de implementación de la Planta Multi-tanque Figura 4.5. Fis Editor de Matlab con las variables de entrada y salida Figura 4.6. Función de pertenencia del error Figura 4.7. Función de pertenencia del error acumulado Figura 4.8. Función de pertenencia de la variable de salida Figura Simulación del controlador del sistema Multi-tanque Figura Interior del Controlador_tanque1, Controlador_tanque2, Controlador_tanque Figura Interior del Controlador_bomba Figura Niveles de agua=0.07 [m] a) Nivel Tanque 1 b) Tanque 2 c) Tanque 3 d) Señal de control electroválvula e) Señal de control motor DC Figura a) Tanque 1=0.08 [m] b) Tanque 2=0.2 [m] c) Tanque 3=0.09 [m] Figura a) Tanque 1=0.18 [m] b) Tanque 2=0.09 [m] c) Tanque 3=0.06 [m] Figura a) Tanque 1=0.05 [m] b) Tanque 2=0.1 [m] c) Tanque 3=0.15 [m] Figura Implementación del controlador del sistema Multi-tanque Figura Niveles de agua=0.07 [m] a) Nivel Tanque 1 b) Tanque 2 c) Tanque 3 d) Señal de control electroválvula e) Señal de control motor DC Figura a) Tanque 1=0.08 [m] b) Tanque 2=0.2 [m] c) Tanque 3=0.09 [m] Figura a) Tanque 1=0.18 [m] b) Tanque 2=0.09 [m] c) Tanque 3=0.06 [m] Figura a) Tanque 1=0.05 [m] b) Tanque 2=0.1 [m] c) Tanque 3=0.15 [m] Figura 4.9. Sintonización del motor DC Figura Sintonización de las electroválvulas Figura Kp=1 H1=0.07 [m] a) Planta simulada, b) Planta real Figura Kp=7.5, H1=0.07 [m] a) Planta simulada b) Planta real Figura Kp=1.5, H1=0.07 [m] a) Planta simulada b) Planta real Figura Ki=0.1, H1=0.07 [m] a) Planta simulada b) Planta real Figura 4.27 a) Nivel de agua H1=0.07 [m] b) Señal de control de la electroválvula con Kp= Figura a) Nivel de agua H1=0.07 [m] b) Señal de control de la electroválvula con Kp= Figura a) Nivel de agua H1=0.07 [m] b) Señal de control de la electroválvula con Kp= Figura a) Nivel de agua H1=0.07 [m] b) Señal de control de la electroválvula con Kp= Figura 5.1. Diagrama de control del sistema Multi-tanque Figura 5.2. Diagrama controlador neuronal con modelo de referencia lineal Figura 5.3. Red de Identificación Figura 5.4. Planta Tanque 1 lazo abierto Figura 5.5. Modelo identificado con redes neuronales Figura 5.6. Red Total Figura 5.7. Modelo de simulación Controlador Neuronal Modelo de Referencia Tanque Figura 5.8. Simulación CN MR a) H1 deseado=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura 5.9. Simulación CN MR a) H1=0.15 [m] Figura Simulación CN MR a) H1=0.23 [m] Figura Implementación Controlador Neuronal Modelo de Referencia Tanque Figura Implementación CN MR a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Implementación CN MR a) H1=0.15 [m] Figura Implementación CN MR a) H1=0.23 [m] Figura Implementación CN MR con Tm=0.5 [s] a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Implementación CN MR con Tm=5 [s] a) a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Implementación CN MR con Tm=10 [s] a) a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Lazo de control con red neuronal inversa Figura Identificación Vs. Red de control Figura Modelo de simulación Controlador directo red neuronal inversa Tanque Figura Simulación CN RI a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Simulación CN RI a) H1=0.15 [m] Figura Simulación CN RI a) H1=0.23 [m] Figura Implementación Controlador directo red neuronal inversa Tanque Figura Implementación CN RI a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Implementación CN RI a) H1=0.15 [m] Figura Implementación CN RI a) H1=0.23 [m] Figura Implementación CN RI con Tm=0.5 [s] a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Implementación CN RI con Tm=5 [s] a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC Figura Implementación CN RI con Tm=10 [s] a) H1=0.07 [m] b) Señal de control electroválvula c) Señal de control Motor DC INDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Componentes principales de tarjeta Tabla 2.2. Valores de presión vs altura del tanque Tabla 2.3. Circuitos integrados de la interfaz electrónica del sensor Tabla 2.4. Datos técnicos electroválvula proporcional Tabla 2.5. Datos técnicos bomba DC Tabla 2.6. Puntos de prueba etapa de alimentación Tabla 2.7. Puntos de prueba con el tanque vacío Tabla 2.8. Tabla de verificación de puntos de prueba Tabla 2.9. Puntos de prueba etapa de acondicionamiento con el tanque vacío Tabla Puntos de prueba de etapa de acondicionamiento con 14 cm de agua. 77 Tabla Puntos de prueba integrados etapa de acondicionamiento e interfaz electrónica Tabla Tabla pines de medición etapa de potencia Tabla Punto de prueba en la etapa de potencia con un ciclo de trabajo de 0% 81 Tabla Punto de prueba en la etapa de potencia con un ciclo de trabajo de 20% Tabla Punto de prueba en la etapa de potencia con un ciclo de trabajo de 40% Tabla Punto de prueba en la etapa de potencia con un ciclo de trabajo de 60% Tabla Punto de prueba en la etapa de potencia con un ciclo de trabajo de 80% Tabla Punto de prueba en la etapa de potencia con un ciclo de trabajo de 100%... 86 Tabla Punto de prueba en el circuito integrado MC34151D Tabla 3.1. Parámetros CCCC y αααα Tabla 3.2. Parámetros CCCC y αααα Tabla 3.3. Parámetros CCCC y αααα Tabla 4.1. Variables del sistema Multi-tanque Tabla 4.2. Variables de los controladores difusos Tabla 4.3. Limites de las variables de entrada Tabla 4.4, Base de reglas del controlador difuso Tabla 4.5. Limites de trabajo de las electroválvulas Tabla 4.6. Limites de trabajo del motor DC Tabla Análisis de la señales con un nivel de 0.07 [m] Tabla 4.14 Anál
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks
SAVE OUR EARTH

We need your sign to support Project to invent "SMART AND CONTROLLABLE REFLECTIVE BALLOONS" to cover the Sun and Save Our Earth.

More details...

Sign Now!

We are very appreciated for your Prompt Action!

x