Diseño e implementación de un sistema de control de voltaje y frecuencia utilizando MATLAB (Presentación PowerPoint)

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.

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

SISTEMA TEORICO RELACION DE VARIABLES

SISTEMA TEORICO EN SIMULINK SISTEMA TEORICO EN MATLAB

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

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.

SIMULACION DEL SISTEMA USANDO SIMULINK MODELO DEL SISTEMA A LAZO
ABIERTO

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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).

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

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

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

Controladores de la planta SISTEMA A LAZO CERRADO CON
CONTROLADOR

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

Controlador del sistema Fg/Vc CURVA DE TRABAJO DE LA FRECUENCIA
DEL GENERADOR 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

Diseño de controladores de forma empírica
Controlador del sistema Vg/Vf CURVA DE TRABAJO DE LA FRECUENCIA
DEL GENERADOR 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

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

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

Operación del sistema FLUJO DE SEÑAL EN MODO
AUTOMATICO

Operación del sistema FLUJO DE SEÑAL EN MODO
MANUAL

Graficas obtenidas FRECUENCIA VOLTAJE

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.

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.

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.

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

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

MANUAL DE EXPERIMENTACION

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

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.

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.

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.

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.

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