Diseño y construcción de una planta de tres vasos comunicantes e implementación de un sistema de control automático de nivel de agua de tipo PID (Proporcional-Integral Derivativo) desarrollado por el método clásico en MATLAB

Abstract

Este trabajo tiene como finalidad presentar la nueva planta del Laboratorio de Control Automático de la FIEC, consistente en un sistema de tres vasos comunicantes, describiendo su diseño y construcción, donde se incluyen los criterios empleados en la selección de los materiales utilizados para su construcción, en la selección de los equipos a ser instalados, así como también en los criterios de selección de los elementos a ser usados para las estrategias de control, protección y seguridad de estos equipos durante la operación de la planta. También se busca mostrar el comportamiento de la planta mediante el desarrollo de un sistema de control automático de nivel de agua, por medio de un controlador de tipo PID, desarrollado por el método clásico utilizando MATLAB. Para este propósito, en el primer capítulo se hace la descripción general de la planta de tres vasos comunicantes, y se detalla el diseño de la misma, dividido en tres partes: lo que respecta a la parte hidráulica de la planta como los tanques y la red de tuberías; lo referente a la parte eléctrica de la planta como las etapas de fuerza y de control; y, lo que concierne a la estructura de soporte, con todos los criterios considerados para el diseño de cada una de estas partes. En el segundo capítulo, se hace referencia al proceso de construcción de la planta, iniciando con la selección de los equipos a ser instalados como sensores, actuadores, controles de fuerza, y los criterios específicos para su elección; continuando con la selección de los materiales de construcción para la estructura de soporte y las partes hidráulica y eléctrica, incluyendo también sus criterios de selección; finalizando con el detalle de la construcción en sí de la planta, como el ensamblaje e instalación de las partes y equipos de la misma. El tercer y cuarto capítulos, muestran paso a paso la identificación de la planta, el desarrollo del controlador PID en MATLAB, las simulaciones de prueba del mismo, su respectiva implementación en la planta, y la obtención de los índices de rendimiento del controlador. En primer lugar, se realiza la adquisición de datos a través del equipo de campo cFP, y se identifica la planta utilizando la herramienta IDENT de MATLAB. A partir del sistema identificado, se procede con el desarrollo del controlador utilizando la herramienta SISOTOOL de MATLAB, que incluye el diseño del compensador y de un pre-filtro de señal si lo amerita, estableciendo los requerimientos de diseño deseados para el control de la planta como el tiempo de estabilización y el sobrenivel porcentual máximo permitido de para la señal controlada. Las pruebas del controlador desarrollado se las realiza simulando tres modelos del sistema en la herramienta SIMULINK de MATLAB y de acuerdo a los resultados obtenidos, se decide si hay que hacer algún ajuste fino al controlador previamente a su implementación en la planta real. Luego de esto, se dedica a la implementación del controlador desarrollado para que actúe sobre la planta real, y se hacen las correspondientes pruebas con la planta en funcionamiento. En caso de ser necesario, se hacen ajustes al controlador implementado para alcanzar los resultados deseados, y se muestra el resultado final del comportamiento de la planta con el controlador ajustado e implementado en la misma. Con este resultado, se describen, calculan y comparan los cuatro índices de rendimiento más conocidos y utilizados, que se constituyen en un método cuantitativo para determinar la calidad de un controlador PID, comprobando el nivel de efectividad de su tarea de control. Finalmente se procede a enunciar tantas conclusiones como recomendaciones puedan obtenerse, producto de todo el proceso analizado, partiendo desde la construcción de la planta, pasando por el desarrollo del controlador para el sistema, hasta los resultados obtenidos de la implementación en la planta del controlador desarrollado y toda la información que estos pasos puedan proveer, con el fin de realizar las acotaciones pertinentes que permitan proponer mejoras en la mayor cantidad de aspectos posibles, a ser aplicables tanto a nivel de pregrado como de postgrado.