Sintonización mediante formulación teórica del regulador PID para el control del nivel de agua en depósitos que alimentan aducciones de gran longitud

Abstract

[EN] Significance level control of a tank. Control of water transport systems is becoming increasingly important to optimize its operation time , as automatic control mechanisms are implemented in order to improve the operation of the installation. The challenges for water supply systems are to ensure the required amount of water due to population growth and increased demand as well as to guarantee the quality required for different uses . In the future new systems where efficiency and effectiveness are key requirements for water supplies must come into play, as well as strategies shall be necessary to perform them . • Use of low-cost systems and low energy consumption. • Use of systems aimed at reducing consumption. • Wean consumption, depending on the quality required for each use. • Automation systems governing the possible variations in the system to prevent conditions in their environment. The hydraulic components in a network can be classified into two categories: active and passive. The active elements are pumps, valves, controllers ( PID ) , turbines, etc. which can be operated to control the flow or water pressure in specific areas. The pipes and vessels are passive, as the receiving end of the operation of the active elements, in terms of pressure and flow, but cannot act in those elements directly. A supervisory control system on a network of water generally includes a telemetry system that regularly updated some information from a selected set of passive elements and most active elements, this information often consists of pressure, readings of flow and level , and the status of the active elements, which reflect the condition of instantaneous operation of the water system. Also, another important factor is that there are mechanisms for driving the active elements (sensors, PID ) in the network to control its operation. However it is a difficult task to derive appropriate control strategies for the active elements, in order to use resources efficiently and meet the specified requirements, such as a specific pressure or level control in a tank. Optimal control of transportation systems and water distribution addresses the problem of generating feedforward control strategies to ensure good service in the system so that in this way certain system performances will be achieved according to the needs of a utility is specified as: minimization of supply and pumping costs, maximizing water quality, regulating reservoirs to maintain its constant level and in other ways to prevent leaks, etc. Therefore, there is a need to create, model and simulate systems of transportation and distribution of water, so that their behavior can be fully understood and optimized throughout the process. The theoretical formulation of the expressions of all the physical terms of the hydraulic system: tank, pipe and valve that are present in adducts of great length, allow us to understand the overall behavior of the system, so that our approach will focus on obtaining the coefficients of the PID controller which controls the water level in the tank, through a regulating valve regardless of disturbances ( input flow ), the same to cause an overflow drain or reservoir, these include its level is above or PID controller acting bottom this action by sending a manipulated variable, which in our case is the degree of opening of the throttle valve, in order to keep the reference or setpoint level in the pre - set value. This procedure also tuning or adjustment of the regulator is desired prior to simulation by Allievi program, so that when they are introduced into the program these coefficients Kp and Ki reach balance the system under study at a reference point satisfying the primary objective of maintaining a constant level in the tank, facing the incoming flow disturbances.This is to make a comparison between the analytical solution obtained by numerical calculation and (Allievi ), and thus see any variations or similarities between the two established methods, both level representations as to the degree of valve opening. Main reasons for process control: • Avoid emptying the tank in order to prevent the entry of air in the system, since its presence in the normal operation of the system can cause pressure unwanted oscillations and reach excessive values. • Prevent overflows by overcoming benchmark in the tank, thus avoiding spills water way (loss o water) and potential damage outside the tank. • Get the coefficients of the PID controller for the analytical method, then be introduced into the program Allievi, trying to obtain similar solutions between one case (analytical) and another (numeric). • Generation of the complete equations model of the system under study, allowing for adjustment of the coefficients to be applied to Allievi program.

[ES] Importancia del control de nivel de un depósito. El control de los sistemas de transporte de agua es cada vez más importante para optimizar su gestión; mecanismos como una regulación automática son implementados con el fin de mejorar el funcionamiento de la instalación. Los retos para los sistemas de abastecimientos de agua consiste en garantizar la cantidad de agua necesaria debido al aumento de la población y por aumento de la demanda, así como la de garantizar la calidad requerida para los distintos usos. En un futuro deberán entrar en juego nuevos sistemas en donde la eficiencia y eficacia sean requerimientos claves para los abastecimientos de agua; así estrategias como las que citaremos a continuación será necesario efectuarlas. • Empleo de sistemas de bajo costo y bajo consumo energético. • Empleo de sistemas tendentes a la reducción de consumos. • Independizar los consumos, en función de la calidad requerida en cada uso. • Sistemas de automatización que regulen las posibles variaciones en el sistema, para prevenir afecciones en su entorno. Los elementos hidráulicos en una red se pueden clasificar en dos categorías: activos y pasivos. Los elementos activos son bombas, válvulas, controladores (PID), turbinas, etc. los cuales pueden ser operados para controlar el flujo o la presión de agua en zonas específicas. Las tuberías y depósitos son elementos pasivos, en la medida que reciben los efectos de la operación de los elementos activos, en términos de presión y de flujo; pero sobre dichos elementos no se pueden actuar directamente. Un sistema de control de supervisión en una red de agua generalmente incluye un sistema de telemetría que actualiza periódicamente algo de información a partir de un conjunto seleccionado de elementos pasivos y de la mayoría de los elementos activos, esta información se compone frecuentemente de la presión, lecturas de flujo y nivel, así como el estado de los elementos activos, los cuales reflejan la condición de funcionamiento instantáneo de la red de agua. Además y muy importante existen mecanismos para accionar los elementos activos (sensores, PID) en la red para controlar su operación. Sin embargo es una tarea difícil derivar las estrategias de control apropiadas para los elementos activos, con el fin de utilizar los recursos de manera eficiente y cumplir con los requisitos especificados; como por ejemplo una presión específica, o como el control de nivel en un depósito. El control óptimo de los sistemas de transporte y distribución de agua aborda el problema de la generación de estrategias de control anticipativo, para garantizar un buen servicio en el sistema; con lo que de esta manera ciertos objetivos de funcionamiento del sistema se lograrán de acuerdo con la necesidades de una utilidad especifica como es: una reducción al mínimo de la oferta y los costos de bombeo, la maximización de la calidad del agua, regulación de depósitos para mantener su nivel constante y en otros aspectos para la prevención de fugas, etc. Es por ello que existe la necesidad de crear, modelar y simular sistemas de transporte y distribución de agua, de manera que su comportamiento pueda ser plenamente comprendido y la totalidad del proceso optimizado. La formulación teórica de las expresiones de todos los términos físicos del sistema hidráulico: depósito, tubería y válvula que están presentes en aducciones de gran longitud, nos permitirá entender el comportamiento global del sistema; de esta manera nuestro planteamiento se enfocará en la obtención de los coeficientes del regulador PID el cual controlará el nivel del agua en el depósito, mediante una válvula de regulación independientemente de las perturbaciones (caudal de entrada), el mismo que puede provocar un vaciado o desbordamiento del depósito; para ello cuando su nivel sea superior o inferior este regulador PID actuará enviando una acción a la variable manipulada, que en nuestro caso será el grado de apertura de la válvula de regulación, con el fin de mantener la referencia o consigna de nivel en el valor pre-establecido; además este procedimiento de sintonización o ajuste del regulador se desea obtener previo a la simulación mediante el programa Allievi; de manera que cuando sean introducidos en el programa estos coeficientes Kp y Ki lleguen a equilibrar el sistema en estudio en un punto de referencia satisfaciendo el objetivo principal de mantener un nivel constante en el depósito, frente a las perturbaciones de caudal entrante. Y del mismo modo hacer una comparación entre la solución obtenida mediante el cálculo analítico y el numérico (Allievi), y así ver posibles variaciones o semejanzas entre los dos métodos establecidos, tanto en las representaciones de nivel como en el grado de apertura de la válvula. Razones principales para el control del proceso: • Evitar el vaciado del depósito con el fín de impedir el ingreso de aire en la instalación, ya que su presencia en el funcionamiento normal del sistema puede causar oscilaciones de presión que alcanzarían valores excesivos no deseados. • Prevenir desbordamientos por la superación de cota de referencia en el depósito, evitando de esta manera vertidos de agua (pérdida) y producir daños considerables en sitios cercanos al mismo. • Obtener los coeficientes del regulador PID por el método analítico, para luego ser introducidos en el programa Allievi, intentando obtener soluciones semejantes entre el un caso (analítico) y el otro (numérico). • Generación del modelo de las ecuaciones completas del sistema en estudio, que permitan ajustar los coeficientes para ser aplicados al programa Allievi.