Control centralizado y descentralizado del nivel y la temperatura en el módulo industrial multipropósito SIEMENS

Abstract

En la presente tesis se diseña e implementa un sistema de control centralizado y otro descentralizado para el control simultaneo del nivel y de la temperatura del agua en el tanque del módulo industrial multipropósito para control y supervisión SIEMENS, ubicado en el laboratorio de Automatizacion Industrial L415 de la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC). Con la finalidad de implementar tales sistemas de control, primero se determina el modelo dinámico experimental del módulo, es decir, su matriz de transferencia, empleando la herramienta de toma de datos del software TIA Portal y la herramienta SystemIdentification del software MATLAB. Una vez determinada la matriz de transferencia del módulo, se procede a simular e implementar los sistemas de control centralizado y descentralizado para controlar simultáneamente el nivel y la temperatura del tanque con las siguientes especificaciones de diseño: porcentaje de overshoot no ser mayor al 5 %, tiempo de estabilización para el nivel menor a 1 minuto y para temperatura menor a los 10 minutos, error en estado estable en el caso del nivel al +/- 1 % (0.5 cm) y para la temperatura al +/- 1 °C. Para el diseño del control descentralizado se utiliza el método Effective Relative Gain Array, el cuál determina el emparejamiento entre un controlador (en este caso se seleccionan controladores PID) y la variable a ser controlada. Para diseñar el sistema de control centralizado, se asume desacoplamiento entre las señales de referencia y sus correspondientes señales a controlar (nivel y temperatura). En base a esta estrategia se diseña el sistema de control multivariable que consta de dos controladores PID y otro de forma arbitraria. Tales controladores fueron implementados en el dominio discreto. Teniendo en cuenta que la altura máxima del tanque es de 50cm, para fines de comparación, se realizaron 2 implementaciones, las cuales consisten en variar el nivel del 20 % (10 cm) al 30 % (15 cm) y del 30 % (15 cm) al 40 % (20 cm); para el caso de la temperatura, se varió de 27 °C a 30 °C y, finalmente, de 30 °C hasta 33 °C. Los resultados experimentales indican que, para el caso del 30 % (15 cm) del nivel, el tiempo de estabilización es mejor en el sistema de control descentralizado por 1.8 segundos, así como el error en estado estable por +/-0.5 % (0.25 cm). Para el caso del 40 % (20 cm) del nivel, el tiempo de establecimiento es mejor que el control centralizado por 9.6 segundos y también es mejor el error en estado estable por +/-0.2 % (0.1 cm). Los resultados experimentales indican que, para el caso de temperatura con un setpoint de 30 °C, el tiempo de establecimiento es mejor en el sistema de control descentralizado por 0.4 minutos y mejora el error en estado estable en +/- 0.04 °C. Para el setpoint de 33 °C se tiene un mejor tiempo de establecimiento en el control descentralizado por 0.1 minutos y en el error en estado estable en +/- 0.1 °C.

In the present thesis, a centralized control system and a decentralized control system are designed and implemented for the simultaneous control of the water level and temperature in the tank of the multipurpose industrial module for control and supervision SIEMENS, located in the Industrial Automation Laboratory L415 of the University of Engineering and Technology (UTEC). In order to implement such control systems, the dynamic experimental model of the module, that is, its transfer matrix, is first determined using the data acquisition tool of the TIA Portal software and the SystemIdentification tool of the MATLAB software. Once the transfer matrix of the module is determined, the centralized and decentralized control systems are simulated and implemented to simultaneously control the level and temperature of the tank with the following design specifications: overshoot percentage not to exceed 5 %, stabilization time for the level less than 1 minute and for temperature less than 10 minutes, steady-state error for the level within +/- 1 % (0.5 cm) and for temperature within +/- 1 °C. For the design of the decentralized control, the Effective Relative Gain Array method is used, which determines the pairing between a controller (in this case, PID controllers are selected) and the variable to be controlled. To design the decentralized control system, decoupling between the reference signals and their corresponding signals to be controlled (level and temperature) is assumed. Based on this strategy, the multivariable control system consisting of two PID controllers and another arbitrarily chosen controller is designed. Such controllers were implemented in the discrete domain. Considering that the maximum height of the tank is 50 cm, for comparison purposes, two implementations were carried out, which consist of varying the level from 20 % (10 cm) to 30 % (15 cm) and from 30 % (15 cm) to 40 % (20 cm); for the temperature, it varied from 27 °C to 30 °C and, finally, from 30 °C to 33 °C. The experimental results indicate that, for the 30 % (15 cm) level, the stabilization time is better in the decentralized control system by 1.8 seconds, as well as the steadystate error by +/-0.5 % (0.25 cm). For the 40 % (20 cm) level, the stabilization time is better than the centralized control by 9.6 seconds, and the steady-state error is also better by +/-0.2 % (0.1 cm). The experimental results indicate that, for the temperature with a setpoint of 30 °C, the stabilization time is better in the decentralized control system by 0.4 minutes, and the steady-state error improves by +/-0.04 °C. For the setpoint of 33 °C, the stabilization time is better in the decentralized control by 0.1 minutes and the steady-state error by +/-0.1 °C.