modelado no lineal de actuador hhidraulico

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UNEXPO. Sergio Velásquez y Ronny Velásquez. Modelado Del Control De Velocidad De Un Actuador Hidráulico. XI Jornadas de Investigación UNEXPO 2013 Puerto Ordaz, 5 al 7 Junio Depósito Legal: LSX69220130011997 - ISBN: 978-980-6400-29-0 IEL-85 ResumenEste artículo presenta el modelado y simulación de un sistema hidráulico, tomando como base la publicación realizada por Qin Zhang de la Universidad de Illinois, considerando las condiciones iníciales indicadas y corrigiendo los factores que afectarían el comportamiento obtenido en un sistema real, aproximando de la forma más cercana posible el funcionamiento real. En este sentido el trabajo desarrollado por Qin Zhang, aunque presenta un desarrollo teórico muy extenso presenta posibilidades de mejora en puntos que no fueron considerados y que están relacionados con el funcionamiento real de los elementos utilizados, El proceso al cual se realizó el controlador PID y Feedforward es al accionamiento de un pistón con un cilindro hidráulico de doble efecto, es decir, avance y retroceso, Solo después de muchas consideraciones se puede tener un comportamiento razonablemente aceptable, sin embargo si consideramos que el objetivo de la simulación es el de predecir un comportamiento que no se conoce previamente, la construcción de simulaciones con semejante deficiencia resulta carente de valor agregado. En el proceso simplificar las ecuaciones de un sistema en su modelación debe ser desarrollado teniendo conciencia de las limitaciones asociados con las hipótesis manejadas para las simplificaciones, contrastando estas con el sistema físico y el funcionamiento del sistema real a simular.. Palabras claveSimulink, Modelo, Hidráulico, controlador PID, Feedforward. I. INTRODUCCIÓN Uno de los objetivos principales de la simulación de un sistema es la obtención de información tan confiable como sea posible del sistema, debido a que en muchos casos este proceso es un paso previo a la implementación física del mismo lo que muchas veces implica una inversión significativa de recursos, en ocasiones con muy pocas posibilidades de corrección posterior a la implementación, debido a factores económicos o de otra naturaleza En este sentido el trabajo desarrollado por Qin Zhang, aunque presenta un desarrollo teórico muy extenso presenta posibilidades de mejora en puntos que no fueron considerados y que están relacionados con el funcionamiento real de los elementos utilizados.(1) Los actuadores son todos aquellos dispositivos que nos sirven para llevar a cabo las actividades físicas generando una fuerza a partir de líquidos, energía eléctrica, etc. Los actuadores brindan una salida necesaria para un elemento de control, un ejemplo de esta podría ser una Válvula(2). Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. Éstos transforman la energía en trabajo, la señal de salida es controlada por el mando y el actuador reacciona a dicha señal por acción de los elementos de maniobra. Otro tipo de equipos de emisión de señales son los elementos que indican el estado del sistema de mando o de los actuadores, como pueden ser, por ejemplo, los indicadores ópticos de accionamiento neumático. Los actuadores neumáticos pueden clasificarse en dos grupos según el movimiento: lineales y giratorios. II. DESARROLLO Existen 3 tipos de sistemas de actuadores: 1. Neumáticos 2. Eléctricos 3. Hidráulicos Uno de los modelos de actuadores hidráulicos mayormente usado es el actuador lineal hidráulico, también llamados cilindros hidráulicos Sergio Velásquez 1 , Ronny Velásquez 2 . [email protected], [email protected] 1 Departamento de Ingeniería Electrónica, 2 Departamento de Ingeniería Metalúrgica, UNEXPO, Ciudad Guayana, Bolívar 8050 Venezuela Modelado Del Control De Velocidad De Un Actuador Hidráulico Usando Un Controlador Pid Junto A Un Controlador Feedforward

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UNEXPO. Sergio Velásquez y Ronny Velásquez. Modelado Del Control De Velocidad De Un Actuador

Hidráulico.

XI Jornadas de Investigación UNEXPO 2013 – Puerto Ordaz, 5 al 7 Junio

Depósito Legal: LSX69220130011997 - ISBN: 978-980-6400-29-0

IEL-85

Resumen— Este artículo presenta el modelado y

simulación de un sistema hidráulico, tomando como

base la publicación realizada por Qin Zhang de la

Universidad de Illinois, considerando las

condiciones iníciales indicadas y corrigiendo los

factores que afectarían el comportamiento obtenido

en un sistema real, aproximando de la forma más

cercana posible el funcionamiento real. En este

sentido el trabajo desarrollado por Qin Zhang,

aunque presenta un desarrollo teórico muy extenso

presenta posibilidades de mejora en puntos que no

fueron considerados y que están relacionados con el

funcionamiento real de los elementos utilizados, El

proceso al cual se realizó el controlador PID y

Feedforward es al accionamiento de un pistón con

un cilindro hidráulico de doble efecto, es decir,

avance y retroceso, Solo después de muchas

consideraciones se puede tener un comportamiento

razonablemente aceptable, sin embargo si

consideramos que el objetivo de la simulación es el

de predecir un comportamiento que no se conoce

previamente, la construcción de simulaciones con

semejante deficiencia resulta carente de valor

agregado. En el proceso simplificar las ecuaciones

de un sistema en su modelación debe ser

desarrollado teniendo conciencia de las limitaciones

asociados con las hipótesis manejadas para las

simplificaciones, contrastando estas con el sistema

físico y el funcionamiento del sistema real a

simular..

Palabras clave— Simulink, Modelo, Hidráulico,

controlador PID, Feedforward.

I. INTRODUCCIÓN

Uno de los objetivos principales de la simulación

de un sistema es la obtención de información tan

confiable como sea posible del sistema, debido a

que en muchos casos este proceso es un paso

previo a la implementación física del mismo lo que

muchas veces implica una inversión significativa de

recursos, en ocasiones con muy pocas posibilidades

de corrección posterior a la implementación, debido

a factores económicos o de otra naturaleza

En este sentido el trabajo desarrollado por Qin

Zhang, aunque presenta un desarrollo teórico muy

extenso presenta posibilidades de mejora en puntos

que no fueron considerados y que están

relacionados con el funcionamiento real de los

elementos utilizados.(1)

Los actuadores son todos aquellos

dispositivos que nos sirven para llevar a cabo las

actividades físicas generando una fuerza a partir de

líquidos, energía eléctrica, etc. Los actuadores

brindan una salida necesaria para un elemento de

control, un ejemplo de esta podría ser una

Válvula(2).

Los actuadores son dispositivos capaces de

generar una fuerza a partir de líquidos, de energía

eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de

un regulador o controlador y da una salida necesaria

para activar a un elemento final de control como lo

son las válvulas.

Éstos transforman la energía en trabajo, la señal

de salida es controlada por el mando y el actuador

reacciona a dicha señal por acción de los elementos

de maniobra. Otro tipo de equipos de emisión de

señales son los elementos que indican el estado del

sistema de mando o de los actuadores, como pueden

ser, por ejemplo, los indicadores ópticos de

accionamiento neumático. Los actuadores

neumáticos pueden clasificarse en dos grupos según

el movimiento: lineales y giratorios.

II. DESARROLLO

Existen 3 tipos de sistemas de actuadores:

1. Neumáticos

2. Eléctricos

3. Hidráulicos

Uno de los modelos de actuadores hidráulicos

mayormente usado es el actuador lineal hidráulico,

también llamados cilindros hidráulicos

Sergio Velásquez1, Ronny Velásquez2.

[email protected], [email protected] 1Departamento de Ingeniería Electrónica, 2Departamento de Ingeniería Metalúrgica, UNEXPO, Ciudad Guayana, Bolívar 8050 Venezuela

Modelado Del Control De Velocidad De Un Actuador Hidráulico Usando Un

Controlador Pid Junto A Un Controlador Feedforward

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Figura 1. Esquema de cilindro hidráulico.

Las válvulas son elementos importantes dentro

de los sistemas hidráulicos, ya que ellas permiten

regular dispositivos de trabajo como los actuadores

lineales y de giro. Según la función a efectuar, las

válvulas se clasifican en cuatro importantes grupos:

válvulas controladoras de dirección, válvulas

reguladoras de caudal, válvulas reguladoras de

presión, válvulas de bloqueo.

Las válvulas de control de dirección, también

conocidas como válvulas distribuidoras o

direccionales, son las que gobiernan el arranque,

paro y sentido de distribución del fluido.

La válvula usada para el sistema analizado es

una válvula direccional y reguladora de caudal. Ya

que además del control de dirección de flujo posee

un orificio ajustable por el cual le permite al

ingeniero de control ajustar la presión de salida

mediante el caudal.

Figura 2. Esquema de válvula usada en la planta.

A. Actuador hidraulico lineal de control de

velocidad mediante un control feedforward-plus-

pid. Qin Zhang

El accionamiento de esta válvula es

eléctrico, por lo tanto se denomina electroválvula.

Una electroválvula es una válvula electromecánica,

diseñada para controlar el flujo de un fluido a través

de un conducto como puede ser una tubería. La

válvula está controlada por una corriente eléctrica a

través de una bobina solenoidal. Tienen dos partes

fundamentales: el solenoide y la válvula. El

solenoide convierte energía eléctrica en energía

mecánica para actuar la válvula.

Figura 3. Esquema del proceso a controlar

El proceso al cual se realizó el controlador

PID y Feedforward es al accionamiento de un pistón

con un cilindro hidráulico de doble efecto, es decir,

avance y retroceso(3).

La variable a controlar es la velocidad del

pistón. Para desarrollar un controlador de velocidad

adecuado en los actuadores hidráulicos de cilindro

con la mayor aproximación posible se desarrolló un

simulador de un sistema actuador electrohidráulico

lineal.

Este simulador interactivo consiste en un

controlador por computadora, una modulación

PWM para controlar la válvula, una válvula

direccional electrohidráulica, un actuador hidráulico

y una carga ajustable que es conectada al actuador y

genera una fuerza para resistir el movimiento del

pistón.(4)

En este sistema, el área del orificio del

puerto que conecta el cilindro al tanque siempre es

más grande que el orificio del puerto que conecta la

bomba con el cilindro. Con este análisis, se puede

concluir que la velocidad del actuador será

determinada por el orificio de la bomba hacia el

cilindro.

Basándose en la teoría de la continuidad del

flujo, el movimiento del actuador puede ser descrito

usando esta teoría cuando la fricción y las fugas son

despreciadas. El impulso del sistema puede ser

determinado por las fuerzas actuadoras, la carga del

sistema y la masa del sistema. El movimiento

inverso del actuador se puede modelar de una

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manera similar al movimiento mencionado

anteriormente.(5)

Ecuaciones que rigen el proceso:

(1).

(2).

Donde:

Como se dijo anteriormente, la válvula

regulará el flujo hacia el cilindro a través de su

orificio variable. Lo que nos permite deducir el

flujo de alimentación a través de la expresión del

flujo de salida del orificio.

(3).

Donde:

Para una electroválvula, el área del orificio está

determinada por el desplazamiento del carrete

(núcleo) del inductor, el cual es controlado por la

tensión sobre la bobina despreciando la fricción y la

fuerza ejercida por el flujo presente.

(4).

El parámetro representa la ganancia de la

válvula.

Agregando un término de ganancia de flujo

a la ecuación 4, la ecuación 3 puede

representarse de la siguiente forma:

√ (5).

(6).

(7).

(8).

Con V siendo la velocidad del actuador.

Figura 4. Sistema Asimétrico del actuador

hidráulico lineal con una válvula de control

direccional.

Linealizando las ecuaciones anteriores respecto a

cada variable y sus puntos de operación(4), se

tendrá:

(9).

(10).

|

(11).

|

(12).

(13).

Donde, y son, respectivamente, los

factores de ganancia de la cámara de presión del

cilindro y la entrada de control señal, es el factor

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de amortiguación hidráulica , , y son,

respectivamente, el incremento de la presión del

cilindro, el suministro de flujo de la bomba, y la

velocidad de accionamiento, y du es el incremento

del control entrada de señal.

La velocidad del actuador está gobernada por la

velocidad del flujo de alimentación, que es

determinado por la presión que atraviesa el orificio

de la válvula. El modelo dinámico del sistema

estudiado está dado como:

(14).

Diseño del controlador

La forma de la ecuación. (14) entra en la

categoría de sistemas linealizable el sistema con

retroalimentación es como sigue.

(15).

(16).

Figura 5. Diagrama de bloques esquemático de

un controlador Feedforward (FPID). es la

ganancia de Feedforward, (s) es la ganancia

total de la realimentación del controlador PID,

(s) es la ganancia del sistema hidráulico, y

F(s) es el filtro

.

Donde es el estado del sistema,

es la variable de control y es el

sistema de salida. La ecuación resultante de la

planta lineal del sistema no lineal es:

(17).

El modelo indica que el sistema de control de

velocidad para un actuador E / H es un lineal de

tercer orden sistema. El comportamiento dinámico

de un sistema se ve afectada por la dinámica de la

válvula de carrete, el sistema presión, y el tamaño

del cilindro hidráulico. Un controlador basado en el

modelo fue desarrollado en base a la función de

transferencia de este sistema linealizado para el

sistema de control anticipativo-plus

retroalimentación.

Este controlador utiliza un simple proporcional-

integral-derivativo (PID) algoritmo para estabilizar

el sistema.

(18).

Donde , son respectivamente la

ganancia proporcional, integral y derivativa de la

base del controlador.

El bucle de alimentación en avance en este

controlador de FPID (Fig. 6) consta de una válvula

de transformada inversa, la cual

proporciona las características de control de estado

estacionario de la válvula E / H en términos de

velocidad y actuador control de voltaje para el

controlador PWM.

La transformada de válvula se desarrolló

mediante la aplicación de una serie de señales de

excitación en el sistema y medir la respuesta. La

transformada de válvula era luego convertida en una

válvula de transformada inversa usando la siguiente

ecuación.

(19).

La transformada inversa de la válvula se usa

como la ganancia programada en el control

anticipativo, que era integrado en el bucle de

alimentación en avance del controlador FPID. El

controlador resultante es capaz de la compensación

de la banda muerta de la válvula y el aumento de

flujo asimétrico a través del programa de ganancia

de alimentación directa, y compensación de error de

velocidad de rastreo a través de las ganancias de

realimentación PID. El controlador FPID era

implementado en el hardware en el bucle E/H

simulador de sistema lineal del actuador.

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B. Diagrama general del sistema simulado.

El diagrama general del sistema simulado se

puede ver en la figura 1, dentro de las

modificaciones que se pueden ver están las

siguientes.

Figura 6. Diagrama General del Sistema.

El sistema será analizado inicialmente

considerando la naturaleza no lineal del modelo, lo

más cercano posible a la realidad y luego un

modelo linealizado, para comparar ambas

respuestas.

C. Construcción del Modelo No lineal.

a. Se adiciono una bomba en lugar de una fuente

ideal de presión, normalmente los sistemas reales

dependen de una fuente con un flujo cercano al de

trabajo regular por lo que el flujo máximo no

necesariamente será el de un sistema ideal, debido a

que el máximo caudal viene dado por la relación de

flujo presión de la bomba, adicionalmente al cerrar

la válvula luego de abrirla es normal que la presión

instantánea sea mayor debido a la reducción de la

salida de flujo.

b. Se adiciono una válvula de alivio como

elemento de control de sobrepresión.

c. Se redujo la presión de trabajo de 3500 bar a

120 bar, debido a que el valor manejado era muy

alto para un sistema práctico, dada la magnitud del

flujo requerido por el cilindro (1,5m3/s) para

obtener la velocidad requerida.

3. Para el accionamiento de la bomba se

implemento un sistema de actuador de movimiento

rotatorio, con una velocidad de 1760 Rpm /( 29,3

rad/s) considerando el deslizamiento típico de un

motor de inducción.

D. Calculo de los diferentes elementos dentro

de la simulación.

Parametrizacion de la Bomba.

Para el cálculo de la relación de la bomba se

realizo en base a la siguiente relación.

(20).

Donde:

D: Volumen desplazado por la bomba.(m3/rad)

W: Velocidad angular de la bomba (rad/s)

nv: Rendimiento volumétrico. : Vnom:

Viscosidad Nominal cst: V: Viscosida :

P; Diferencia de presión succión descarga.

(Pascal) P: presión Nominal.(Pascal)

Dado que la velocidad máxima que se mantiene

en el cilindro es de 1m/s de acuerdo a los datos

recibidos, se debe asegurar al menos 1m/s en la

velocidad del pistón por lo que se debe cumplir la

siguiente relación.

(21).

Sin embargo debido a que el modulo de

compresión es muy alto en la mayoría de los

aceites hidráulicos existentes, la ecuación se puede

reducir a:

(3)

Donde Vel es la velocidad máxima del cilindro.

Qbomba: Flujo de la bomba.

De donde se obtiene que Qbomba>1.5m3/s, en

nuestro caso usaremos como capacidad nominal de

la bomba un flujo de 5,3m3/s.

Partiendo del flujo y asumiendo el uso de un

motor de inducción con 4 polos, se utilizara una

velocidad para el motor de 1760 rpm, para

considerar el deslizamiento propio bajo efectos de

la carga, y para la bomba se asumirá un

desplazamiento volumétrico de 0,17m3/rad.

Figura 7. Arreglo utilizado para la Bomba.

Selección del aceite Hidráulico.

En cuanto al fluido se utilizara el bloque

personalizado, con las siguientes propiedades.

Densidad: 920kg/m3 (Dada en la

especificación)

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Modulo de Comprensibilidad: 8*10^9

pascal (Coherente con la hipótesis

inicial)

Viscosidad Cinemática 1.8e-5 m2/s.

Parametrizacion de la válvula de alivio para

control de la presión.

La válvula de alivio tuvo que parametrizarse en

función de poder descargar la cantidad en exceso

de aceite enviado por la bomba, para lo cual se

utilizo la siguiente ecuación.

(22).

(23).

(

√ )

(24).

(25).

Cd: Coeficiente de Descarga del orificio. A;

Área Máxima del Orificio.

Re,Recr: Numero de Reinolds y Numero de

Reinolds Critico.

Despejando de 4:

m2

Se modifica el valor de A en el bloque funcional

de la válvula de alivio colocando un valor de

0.08m2, aproximadamente el doble del valor

mínimo posible.

Parametrizacion de los valores del actuador

hidráulico.(Cilindro)

El cilindro se parametrizo de acuerdo con los

valores recibidos para el modelo, como son el

recorrido del cilindro=2 m, área del cilindro 1,5m2.

En los demás parámetros se utilizo el original del

componente salvo en el referido a la fuerza de la

detención brusca al llegar al fin de carrera, el cual

se modifico para que pudiese detener al cilindro al

llegar al fin de carrera, pasando de 106N/m a

1010

N/m.(6)

Esto se debe a que el área (1,5m2) del cilindro a

120 bar genera una fuerza de 18x106N, lo que evita

que se produzca la detención en el momento de

llegar al tope del cilindro.

Construcción de la válvula de control.

Esta se construyo basado en el recorrido de

0.1m, con lo que se genera una apertura máxima de

0.016m2. Estas dimensiones anormalmente grandes

son debido al flujo manejado en el problema en

cuestión.

En cuanto al Coeficiente de descarga del orificio

es un valor típicamente cercano a uno, ya que el

mismo es un factor empírico para aumentar la

precisión del cálculo teórico basado en el balance de

energía, especialmente cuando se trabaja en el

sistema internacional (MKS).

Es por esto que un coeficiente de descarga de 4,3

resulta anormalmente alto, motivo por el cual se

utilizo como valor de la válvula hipotética el

utilizado en el diagrama de bloques original.

Adicional a esto se introdujo un filtro paso bajo

para simular el retardo del accionamiento del

cuerpo de válvula, la constante de tiempo fue

establecida en 0.0125 seg. El diagrama final es

mostrado en la figura 2.

Figura 8. Diagrama de la válvula de control y

del cilindro.

Aparte del aporte que da como tiempo de retardo

simulando el tiempo de accionamiento de la

válvula, la función de transferencia tipo paso bajo

evita el bloqueo del programa por la

indeterminación del controlador una vez que pasa

por cero la posición de la válvula de cierre y además

reduce el tiempo de cálculo sin alterar el resultado

de la simulación sensiblemente.

Otros elementos del sistema.

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En este conjunto se encuentran los siguientes

elementos.

o El reservorio de aceite que se fijo a un

volumen de 10m3 debido al flujo

volumétrico manejado y al volumen del

cilindro (3m3).

o El sensor de posición utilizado fue un

bloque de simscape (sensor mecánico de

movimiento de traslación.)

E. Diagrama integrado.

El diagrama del sistema desarrollado finalmente

queda así:

Figura 9. Diagrama general del sistema.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A. Simulación del sistema sin controlador

Para realizar la simulación del sistema, se tomó

un modelo de ejemplo de un actuador hidráulico de

doble acción con cámara variable presente en los

ejemplo de SIMULINK.

Figura 10. Actuador hidráulico lineal sin

controlador.

Donde la respuesta del sistema (velocidad) sin

controlador del cilindro es:

Figura 11. Velocidad del sistema sin

controlador.

B. Controldor pid

Para crear el lazo una vez teniendo la velocidad

de salida, se establece la referencia. Se realiza una

prueba de lazo abierto a la válvula con el fin de

observar el comportamiento de esta ante la entrada

del controlador.(7)

Figura 12. Actuador hidráulico lineal con

controlador.

Donde la respuesta del sistema (velocidad) con

controlador del cilindro es:

S AB

Variable OrificeSwitch

SubtractStep

f(x)=0

Solver

Configuration

PSS

PSS

PSS

S P T

A B

Simscape Valve

Scope1

Scope

PI(s)

PID Controller

Velocity

PositionToCy linderRod(C)

MotionSensor1

Hydraulic Reference

S TP

Hydraulic Pressure

Source

Hydraulic Fluid

ForceToCy linderRod(C)

ForceSensor1

-1

1

300e6

Constant

Cy linder Support

Clamping Structure

Clamp

Sensor de f uerza

B

A

Cilindro

Entrada Valv ula

Entrada Valv ula

Entrada Valv ula

Fuerza

Velocidad

Velocidad

Posicion

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Figura 13. respuesta del sistema (velocidad) con

controlador del cilindro

Teniendo en cuenta que la válvula es un

elemento no lineal, se debe tomar los valores donde

la presión de la misma es lineal para construir el

controlador.

Se puede observar que la señal de velocidad

tiende a seguir la señal de entrada gracias a

controlador, es posible entonarlo hasta el punto de

minimizar el error entre ambas señales.

C. Análisis de los resultados de la simulación

realizada con Simscape.

Luego del desarrollo del modelo se corrió la

simulación del mismo utilizando como set point

señales tipo cuadrada y triangular, para verificar su

ajuste al comportamiento esperado en el sistema

real obteniendo las siguientes curvas de respuesta,

para cada caso.

Respuesta a una entrada triangular +/-1m/s.

Figura 14. Curva de respuesta a un set point en

forma de onda triangular con valores extremos en

+/-1

.

Figura 15. Curva de respuesta a un set point en

forma de onda triangular con valores extremos en

+/-1(Morada), Respuesta de la velocidad (Rosada)

y la posición (Azul)

Respuesta a una entrada onda cuadrada +/-1m/s.

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Figura 16. Curva de respuesta a un set point

en forma de onda cuadrada con valores extremos

en +/-1m/s.

Figura 17. Curva de respuesta a un set point

en forma de onda cuadrada con valores extremos

en +/-1m/s.(Morada), Velocidad (Amarilla)

Posición (Azul)

D. Análisis de la simulación no lineal

De acuerdo con lo observado en las graficas se

puede ver que el comportamiento es coherente con

el esperado en el fenómeno físico destacando lo

siguiente:

La velocidad sigue a la referencia (Set point) con

un retardo aproximado de 0.3 s, originado por la

presencia del retardo añadido para emular el tiempo

de reacción. El comportamiento de la posición es

coherente con la velocidad.

El comportamiento del flujo por la válvula de

control de sobre presión se ajusta al sistema real ya

que la misma presenta picos de flujo durante las

conmutaciones de sentido en el cilindro, producto

del flujo en exceso que tiene que ser aliviado cada

vez que se anula la salida al cilindro.

Se observa correspondencia entre la velocidad y

la acción de control en las dos simulaciones

realizadas.

El comportamiento de la señal de control de la

válvula MV, muestra un comportamiento muy

parecido al de la velocidad, lo que es una condición

razonable debido a la relación de proporción que

hay entre el flujo de salida y la válvula de control

(Relación directa entre el área abierta y la variable

modificada).

E. Construcción de la aproximación lineal del

sistema asumiendo el análisis propuesto:

Para el análisis de la aproximación lineal se uso

la linealizacion presentada en el documento

entregado de acuerdo a las ecuaciones siguientes, se

calcularon los valores correspondientes a la

ecuación del sistema de acuerdo a las siguientes

ecuaciones.

(

)

(26).

Donde:

√ (27).

√ (28).

(29).

V1: Volumen del desplazado del cilindro.

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(12)

Sustituyendo los valores utilizados para el

modelo lineal con respecto a la posición central

(Los valores u,P1,V1) son. gf=2.74x105; Ps=120

Bar: =61 bar (tomado como referencia de la

simulación en el sistema no lineal)

C1=(1.5m3)2/1.24E9=1.81e-9: Ps=140 bars, se

asumirá como punto de trabajo normal =12V

ku=0.92 kp=0.077

Debido a que =12v que es el equivalente a la

mitad de la señal de entrada.

En este caso debido a que todo el sistema ha sido

linealizado (Válvulas y cilindro) el resultado final

queda de la siguiente forma.

Figura 18. Sistema con la linealizacion

propuesta.

Luego de elaborado el diagrama en bloques con

el modulo de Simulink se procedió a realizar la

simulación del sistema resultante generando los

resultados de la imagen siguiente.

Figura 19. Resultado de la linealización total del

sistema:

F. Análisis de la grafica con la linealización

de la válvula y cilindro

Aunque desde el punto de vista matemático es

lógico el procedimiento mostrado, el proceso de

linealización ha sido llevado muy lejos, debido a

que para utilizar las técnicas de linealización

basadas en la derivada que fueron utilizadas por el

autor del documento original, el desplazamiento del

punto de operación debe ser pequeño comparado

con el punto de operación típico, sin embargo en

este caso las variaciones del punto de operación

abarcan el rango de trabajo completo motivo por el

cual la aproximación del sistema falla de forma

contundente.

G. Linealización parcial considerando solo la

válvula.

A causa de limitaciones encontradas con el

Simscape se elaboro nuevamente el modelo del

sistema manteniendo las ecuaciones del cilindro y la

válvula sin ningún tipo de simplificación utilizando

los bloques estándar Simulink, (Modelo mostrado

en la Figura 18), con la intensión de validar el

modelo del cilindro y luego modificar la ecuación

de la válvula mediante la linealizacion de la misma.

.

Figura 20. Modelo no lineal de la válvula.

Para poder verificar el comportamiento de los

sistemas se desarrollo la simulación completa

obteniendo lo siguiente.

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UNEXPO. Sergio Velásquez y Ronny Velásquez. Modelado Del Control De Velocidad De Un Actuador

Hidráulico.

XI Jornadas de Investigación UNEXPO 2013 – Puerto Ordaz, 5 al 7 Junio

Depósito Legal: LSX69220130011997 - ISBN: 978-980-6400-29-0

IEL-95

Figura 21. Resultado del modelo no lineal

utilizando solo la librería de Simulink estándar.

El resultado de este caso es similar al sistema no

lineal desarrollado con Simscape por lo que se

asume que el modelo desarrollado para el cilindro, y

la válvula son correctos.

Posteriormente se procedió a linealizar el

comportamiento de la válvula con respecto a la

presión y la señal de comando (u) dada por la

ecuación siguiente basada en el uso del cálculo

diferencial.

(30).

Aplicando esto a la válvula de control queda lo

siguiente:

(31).

Donde u y Amax=Área de Abertura

máxima.

Debido a que =120e5New/m2 y que

, que =(

, Se asume que la caída de presión se dividirá

por igual en la válvula de retorno que en la válvula

de entrega al lado que esta expandiéndose del

cilindro.

= (120e5-133)/2 N/m2=60e5New/m2.

Finalmente se tiene que:

Sustituyendo:

(32).

Esta linealizacion utilizo, además elementos

condicionales tales como el intercambio de las

líneas una vez que se intercambia la polaridad de la

señal de comando, el modelo no lineal desarrollado

anteriormente para el cilindro, con los bloques

básicos del Simulink estándar debido a que al tratar

de implementar la linealizacion en el modelo no

lineal hecho con Simscape se presento error, el

sistema generado fue el siguiente.

.

Figura 22. Arreglo utilizado para la

simulación completamente lineal de la válvula.

Figura 23. Resultado de la linealización de la

válvula utilizando la expresión linealizada por

medio de diferenciales

Debido a que con el modelo no se puede

conseguir cerrar el flujo por la aproximación, al

bajar la velocidad, la apertura simulada se aleja

demasiado del sistema real generando inestabilidad.

Esto se ve claramente en la figura 14, donde se

aprecia claramente el comportamiento errático de la

velocidad la cual conmuta desde un valor muy alto

positivo a uno muy bajo negativo.

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IEL-96

IV. CONCLUSIONES

La linealización con el objetivo de simular el

circuito hidráulico entregado no es conveniente ni

en la válvula ni en el sistema completo, a causa de

la naturaleza de trabajo intrínsecamente no lineal

del dispositivo, debiendo realizar consideraciones

excesivas para poder tener un comportamiento

aceptable desde el punto de vista práctico.

Desde este punto de vista resulta de poco interés

desarrollar la linealización por los siguientes

factores:

El modelo no se comporta de acuerdo con la

física del proceso, por lo que pierde utilidad.

La realización de este tipo de linealizaciones

puede llevar a inferir conclusiones falsas sobre el

objeto de estudio.

Solo después de muchas consideraciones se

puede tener un comportamiento razonablemente

aceptable, sin embargo si consideramos que el

objetivo de la simulación es el de predecir un

comportamiento que no se conoce previamente, la

construcción de simulaciones con semejante

deficiencia resulta carente de valor agregado.

En el proceso simplificar las ecuaciones de un

sistema en su modelación debe ser desarrollado

teniendo conciencia de las limitaciones asociados

con las hipótesis manejadas para las

simplificaciones, contrastando estas con el sistema

físico y el funcionamiento del sistema real a

simular.

REFERENCIAS

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VELOCITY CONTROL USING A

FEEDFORWARD-PLUS-PID CONTROL. Zhang,

Qin. 2004, Department of Agricultural Engineering

University of Illinois at Urbana-Champaign,

Urbana, IL 61801, págs. 1795-1800. 978-1-4244-

1498-7.

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York, NY : Springer Verlag, 2000.

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207, págs. 193-207.

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Ukrainetz. Comparison of a PID controller to a

neural net controller in a hydraulic system with

nonlinear friction. Fluid Power Systems and

Technology. Fairfield, NJ : ASME, 1998, págs. 91-

98.

[7] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control

moderna 4ED. s.l. : Pearson educación, 2003.