Disseny, muntatge i posada a punt d’un sistema de control per ordinador de baix cost, basat en Arduino, de la temperatura de l’aigua en un tanc d’escalfament

Abstract

[ES] Este proyecto se enmarca dentro de las actividades realizadas por el grupo de Generación Espontánea de la UPV GESCOP-EPSA, centradas en el control de procesos. En este trabajo se pretende que el alumno realice el diseño, montaje y puesta a punto del sistema de control por ordenador de la temperatura en un tanque de calentamiento de agua. En dicho tanque se incorporará la instrumentación y los actuadores, compatibles con Arduino, necesarios para implementar un sistema de control de bajo coste que permita ensayar diferentes técnicas de control.

Las tareas a realizar implican la construcción del tanque aislado con descarga por rebosadero empleando impresión 3D y el montaje de la instalación hidráulica y del sistema de calentamiento mediante resistencia eléctrica, así como de toda la instrumentación (sensores y actuadores) necesaria para controlar la temperatura y monitorizar la temperatura o el caudal. Adicionalmente se tendrá que calibrar y caracterizar toda la instrumentación que se vaya a utilizar, y se tendrán que realizar todos los montajes eléctricos que se necesiten. Posteriormente se implementará el lazo físico de control sobre la planta.

El diseño del sistema de control de temperatura requiere de la obtención del modelo matemático tanto del proceso como de los sensores y actuadores. La determinación de los parámetros desconocidos de los modelos matemáticos, así como la validación de los mismos, tendrá lugar tras su programación en Matlab/Simulink y la realización de los ensayos de lazo abierto sobre la planta que se consideren oportunos. La comunicación entre el mundo real y el ordenador se realizará mediante el uso de tarjetas Arduino, y la gestión de dicha comunicación y de los datos adquiridos también se lleva a cabo mediante Matlab/Simulink y la toolbox de Arduino.

Posteriormente se obtendrá el modelo matemático del lazo cerrado y se implementará en Matlab/Simulink, lo que permitirá el diseño del sistema de control. A continuación, se validará la técnica de control por realimentación haciendo ensayos de lazo cerrado sobre la planta, para lo que se programará el lazo físico de control con Matlab/Simulink y la toolbox de Arduino. Seguidamente, se ensayarán otras técnicas de control compatibles con la instrumentación empleada.

Finalmente, se realizará una estimación económica del conjunto integrado por la planta piloto, el sistema de control y la aplicación de esta metodología de diseño de sistemas de control.

[CA] Aquest projecte es centrarà en el control de processos. En el treball a realitzar es dissenyarà, es realitzarà el muntatge i es posarà a punt el sistema de control per ordinador d’un tanc d’escalfament d’aigua. Aquest tanc inclour`a la instrumentació i actuadors compatibles amb les targetes d’Arduino per a implementar un sistema de control de baix cost que permetrà assajar diferents tècniques de control a la planta on es durà a terme tot el treball. Per a dur a terme aquest projecte, les tasques a realitzar consten de la construcció del tanc sobreeixidor emprant impressió 3D, després es deurà de fer l’instal·lació hidràulica del muntatge del tanc, on es el sistema d’escalfament es dur`a a terme amb una resistència elèctrica. A banda del muntatge de la instal·lació, caldrà calibrar i caracteritzar la instrumentació que s’ha d’emprar, així com el muntatge elèctric i la monitorització del sistema. Per a la comunicació entre l’ordinador i el món real, es farà servir les targetes d’Arduino amb la toolbox corresponent de Matlab/ Simulink per tal d’implementar el llaç de control sobre el sistema en el que es treballarà. A banda de la implementació del llaç de control, les targetes actuaren com a lectura i adquisició de dades experimentals. Per al disseny del sistema de control serà necessari el modelat matemàtic de tot el procés i instrumentació involucrada en el sistema. Tots aquests paràmetres s’implementaran en Matlab/Simulink, que serà el programa que s’encarregarà de portar a terme el control del sistema. Per al correcte funcionament del llaç de control, es faran els assajos necessaris de llaç obert. Posteriorment, per a la validació de la tècnica de control per realimentació s’implementarà el llaç en Matlab/Simulink i la toolbox d’Arduino fent assajos de llaç tancat a la planta.

[EN] This project will focus on process control. In the work to be done, it will be designed, the assembly will be carried out and the computer control system of a water heating tank will be developed. This tank will include the instrumentation and actuators compatible with the Arduino cards to implement a low cost control system that will allow testing different control techniques to the plant where all the work will be carried out. To carry out this project, the tasks to be carried out consist of the construction of the overflow tank using 3D printing, then the hydraulic installation of the tank assembly must be done, where the heating system will be carried out with an electrical resistance. In addition to the assembly of the installation, it will be necessary to calibrate and characterize the instrumentation that must be used, as well as the electrical assembly and the monitoring of the system. For communication between the computer and the real world, the Arduino cards with the corresponding Matlab / Simulink toolbox will be used to implement the control loop on the system in which it will work. In addition to the implementation of the control loop, the cards acted as reading and acquisition of experimental data. To carry out the design of the control system, mathematical modeling of the entire process and instrumentation involved in the system will be necessary. All these parameters will be implemented in Matlab / Simulink, which will be the program that will be in charge of carrying out the system control. For the correct operation of the control loop, the necessary open loop tests will be carried out. Subsequently,for the validation of the feedback control technique, the loop in Matlab / Simulink and the Arduino toolbox will be implemented by making closed loop tests to the plant.