UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ARMA DAS ESPE-L AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZA CIÓN INDUSTRIAL INDUSTRIAL MECATRÓNICA MECA TRÓNICA Diseño y anális anális is de contr ol de velocidad para motores de inducci ón mediante la aplicación aplicación de un control hibrido Fuzzy - PID Morales Lluno Andrés Jeremías e-mail:
[email protected] Carrera Ingeniería Mecatrónica, Octavo Nivel “B”, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE -L -L Márquez de Maenza S/N Latacunga, Ecuador.
Fecha de presentación: presentación: 31 / 05 / 2017
RESUMEN
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El presente paper tiene la finalidad de presentar un sistema de control híbrido (PIDFuzzy) para el control de velocidad de un motor de inducción de jaula de ardilla trifásico. El método propuesto incorpora lógica difusa y controladores convencionales con la utilización de la técnica de contr ol de vectores. Este método combina las ventajas de controlador de lógica difusa y controladores convencionales a mejorar la respuesta de velocidad del motor de inducción.
INTRODUCCIÓN
Los motores de inducción, en particular los motores de inducción de jaula de ardilla (SCIM) como se muestra en la figura 1, se han usado ampliamente en aplicaciones de la industria tales como híbrido vehículos, papel y textiles molinos, robótica y sistemas de generación de energía eólica debido a sus varias ventajas inherentes tales como su construcción simple, robustez, fiabilidad, baja costo y baja necesidad de mantenimiento. Sin control adecuado, es prácticamente imposible lograr la tarea deseada para cualquier aplicación industrial.
La implementación y resultados de la simulación será mediante MATLAB / SIMULINK de los diferentes controladores del sistema híbrido, tales como (PI-, PD-, y PIDfuzzy). Para visualizar su comportamiento.
ABSTRACT AB STRACT The present paper has the purpose of presenting a hybrid control system (PIDFuzzy) to control the speed of a three-phase treadmill induction motor. The proposed method incorporates fuzzy logic and conventional controllers with the use of vector control technique. This method combines the advantages of logic controller and conventional controllers to improve the induction motor speed response.
Figura 1: modelo de un motor trifásico jaula de ardilla
Para lograr una eficiencia óptima de los motores de inducción, varias técnicas de control se han desarrollado para controlar el motor de inducción como control escalar, vector o campo control orientado, el control directo del par. Control escalar es una de las primeras técnicas de control de los motores de inducción. En este método la relación d e tanto la amplitud y la frecuencia de la tensión de alimentación se mantiene constante a fin de mantener un flujo de entrehierro constante y por lo tanto proporcionar el máximo torque.
Palabras claves: Sistema hibrido, motor jaula de ardilla, robustez, flujo del rotor, electro magneto.
Con los años, el control convencional, tal como el proporcional más integral (PI), y los controladores, proporcional más integral más
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE-L AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL MECATRÓNICA derivativo (PID) se han utilizado junto con métodos de control de vector para controlar mejor la velocidad de los motores de inducción.
N y S, que representan la parte de campo del motor. Por lo tanto, el λ espacio vectorial F de enlace de flujo generado por el devanado de campo es estacionaria y alineado con el eje d del estator. El conmutador y cepillos colocados en forma adecuada a asegurar que el espacio vectorial i del devanado de inducido actual siempre esté alineada con el eje q y 90 ° grado aparte de λ F vector de e spacio, incluso aunque el rotor está girando.
Sin embargo, debe ser señalado que los controladores convencionales tienen mayor inconveniente tal como la sensibilidad a las variaciones de rendimiento en los parámetros del sistema, y el hecho de que cuando utilizando ganancias fijas el controlador puede no proporcionar el rendimiento velocidad requerida bajo variaciones en los parámetros del motor y condiciones de funcionamiento. Con el fin de superar estos retos, controlador de Lógica Difusa (FLC) se ha utilizado para el control de velocidad del motor
2 CONTROL ORIENTADO INDUCCION DEL MOTOR
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Por lo tanto, estos vectores espaciales, que son estacionarios en espacio, son ortogonales o desacoplado por su naturaleza.
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2.1. Introducci ón El control de vectores o control orientado a campo fue inventado por Blaschke para emular características del motor de CC en un motor de inducción. En general un motor eléctrico se puede pensar que la fuente de par de torsión es controlada. El par de torsión se producen en el motor por la interacción entre el campo magnético del campo del estator y la corriente en el rotor.
Figura 2: representación simple de excitación separada construcción motor de corriente continua
2.3. Proyección espacio vectorial en el marco de referencia del estator Las corrientes trifásicas, voltaje, y flujos de motor de corriente alterna pueden ser analizados en términos de vector complejo espacio. En la figura 3 se muestra una sección transversal de un motor simple trifásico de corriente alterna, con vectores de corriente trifásica.
El campo del estator debe mantener un cierto nivel, lo suficientemente alta para producir un alto par, pero no demasiado alto para dar como resultado la saturación excesiva del circuito magnético del motor. Por acción del campo del estator fijo, el par es proporcional a la corriente del rotor.
2.2. Control del par en el moto r DC Una representación simplificada del motor de corriente continua se muestra en la figura 2. El circuito magnético del estator está representado por un par de polos magnéticos
Figura 3: Representación esquemática de una de tres fases, el estator 2 polos de un motor de CA
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE-L AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL MECATRÓNICA 2.4. contro l Algorítmi co
complejidad en que se manejan los campos magnéticos del motor.
El diagrama de bloques de método de control de campo orientado indirecto se muestra en la figura 4. El motor de inducción está alimentado por un voltaje variable, frecuencia variable PWM del inversor, que opera en modo de control actual. El esquema de control genera conmutación del inversor comandos para alcanzar el par deseado en el eje del motor.
El controlador convencional es un controlador de realimentación. Calcula un valor de error como la diferencia entre el valor medido del proceso y el valor del punto de ajuste deseado y, a continuación, modifica la planta para mantener el error de estado estable igual a cero.
3.2. Controlador PID El controlador Proporcional-Integral-Derivado, PID, es ampliamente utilizado en la industria. Controlador PID tiene todas las dinámicas necesarias: reacción rápida la entrada del controlador (derivativo D), el aumento de la señal de control para conducir el error hacia cero (integral I) y acción adecuada dentro del área de error de control para eliminar oscilaciones (proporcional P). La salida del controlador PID Consiste en tres términos la señal de error, la integral de error y la derivada de error. La figura 5 muestra el diagrama de bloques del controlador PID.
Figura 4: Esquema de control logarítmico
3. DISEÑO DE LOS CONTROLADORES HÍBRIDOS DE VELOCIDAD El modelo dinámico d-q de un motor AC es complejo, multi variable y no lineal. Sin embargo, el control vectorial o el control orientado al campo puede superar este problema, pero controlar con precisión los vectores es casi imposible. Para combatir este problema, el control clásico, el controlador de lógica difusa, y el controlador híbrido FuzzyPID se combinan con el campo indirecto orientado Para resolver este problema.
Figura 5: diagrama de bloques del controlador PID
3.3. Control ló gico di fuso La lógica difusa, FL, es otra clase de inteligencia artificial. Su objetivo es plantar Inteligencia humana en un sistema para que el sistema pueda pensar inteligentemente como un humano.
3.1. Controlador convencional El motor de inducción puede ser controlado con la ayuda de los métodos convencionales de PI, PD y PID, estos controladores con el uso de la técnica indirecta de control orientado al campo han ayudado a resolver problemas de control dentro del campo magnético del motor sin embargo no son tan efectivos dentro de su aplicación debido a las perturbaciones y
Las técnicas de lógica difusa se han reconocido en los últimos años como Herramientas para tratar el modelado y control de sistemas complejos para los cuales no es fácil identificar su modelado matemático.
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE-L AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL MECATRÓNICA El control de la lógica difusa se considera una estrategia de control lingüístico basada en el uso de la sentencia if-then para el proceso de control. En esta declaración, varias variables que son expresados en lenguaje natural como positivo, cero y negativo podrían ser usados, ya sea en antecedente o en consecuente como resultado, el modelo matemático del sistema no es requerido en control para que pueda ser aplicado a sistemas no lineales.
3. Formule los conjuntos difusos y seleccione la forma MF correspondiente de cada uno. 4. Genere la tabla de reglas difusas. Este paso y el anterior son los pasos principales del diseño, que necesitan intuición y experiencia sobre el proceso. 5. Defina los valores de ganancia de los controladores convencionales. 6. Simular el sistema e iterar los valores de ganancia, los conjuntos difusos y la tabla de reglas hasta que se optimice el rendimiento.
3.4. Control ador hibri do de velocidad
3.4.2. Modelo para el controlador de velocid ad del mot or
Para combinar las ventajas del controlador de lógica difusa y convencional, Se propone una hibridación de lógica difusa y controladores convencionales.
El diagrama de bloques del sistema de controlador de velocidad híbrido propuesto para un vector se muestra en la figura 6. Las dos variables de entrada del sistema difuso son el error de velocidad del motor E y el cambio del error CE. El error de velocidad y el cambio de error se expresan como sigue:
El sistema híbrido funciona como un solo controlador con la utilización de control indirecto orientado al campo para controlar la velocidad del motor de inducción de jaula de ardilla. Hay dos señales de entrada para el controlador difuso, la señal de error E y la derivada del error que representa el cambio en la señal de error CE. La señal de salida U del controlador lógico difuso, representa una nueva señal de error que se alimenta al controlador PID.
Considerando que la variable de salida del controlador es T, la que representa la referencia de par para IFOC. El controlador observa la señal de error de bucle de velocidad y cambia correspondientemente la salida de manera que la velocidad real ωact coincide con la velocidad de referencia ωref .
El controlador observa la señal de error de bucle y cambia correspondientemente la salida U de manera que la señal de salida real coincida con la Referencia o señal ordenada. Algunas características particulares que aparecen con los controladores convencionales, tales como overshoot y undershoot, serán eliminadas con la implementación de este modelo.
Figura 6: modelo de bloques del controlador hibrido Fuzzy-PID
También este controlador híbrido proporciona mayores niveles de estabilidad frente a las variaciones de carga.
4. MODELOS Y RESULTADOS EN SIMULINK
3.4.1. Metodología del dis eño
En la figura 7, se muestra un diagrama SIMULINK completo del sistema de control propuesto para el motor de inducción de jaula de ardilla. El motor de inducción utilizado en
1. Identificar las variables de entrada y salida del sistema de control fuzzy. 2. Definir el universo del discurso de las variables de entrada y salida. 4
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE-L AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL MECATRÓNICA CONCLUSIONES
esta simulación es una jaula de ardilla de 50 Hp, 460 V, 60 Hz, con los parámetros listados en la tabla 1.
Para combinar las ventajas del controlador de lógica difusa y convencional, Se propone una hibridación de lógica difusa y controladores convencionales.
Tabla 1: lista de parámetros del motor de inducción con valores basados en modelo predefinido en
Los Sistemas híbridos como un solo controlador son eficientes en la utilización del Control para manejar la velocidad del motor de inducción de jaula de ardilla. Hay dos señales de entrada Al controlador difuso, la señal de error y la derivada del error que representa el cambio en la señal de error. La señal de salida de FLC representa una nueva señal de error Que alimentan al controlador PID de esta forma pasa de un controlador a otro. El estator del motor de inducción es alimentado por un puente inversor trifásico controlado por corriente.
El controlador observa la señal de error de bucle y Cambia correspondientemente la salida U de modo que la señal de salida real coincida con la Referencia o señal ordenada.
Las corrientes del estator son reguladas por un regulador de histéresis que genera señales de accionamiento del inversor para los interruptores inversores para controlar el motor de inducción.
Los controladores, tales como el rebasamiento, se eliminarán con la de este modelo. También este controlador híbrido proporciona mayores niveles de estabilidad frente a la carga de variaciones.
El par motor es controlado por la componente de corriente de eje en cuadratura y el flujo del motor es controlado por componente de corriente de eje directo.
REFERENCIAS Fattah, A. J. (2015). Western Michigan University Libraries. Recuperado el 05 de Diciembre de 2016, de Western Michigan University Libraries: http://scholarworks.wmich.edu/cgi/vie wcontent.cgi?article=1605&context=m asters_theses
La velocidad del motor está regulada por un control híbrido que produce la señal de componente de la corriente de par requerida
Ilustración 7: modelo de SIMULINK completo de sistema de control de velocidad para trifásico 5
