CONTROL DE TEMPERATURA DEL CUARTO FRIO MEDIANTE LÓGICA FUZZY Y ANÁLISIS DE CONSUMOS DE POTENCIA ENTRE DIFERENTES ESTRATEGIAS DE CONTROL

WEIMAR EDUARDO MANTILLA GUTIÉRREZANA CAROLINA MEDINA JIMÉNEZ

OSCAR FRANCISCO PICO VELANDIAMILTON ESTEBAN ROJAS AMADO

SAMUEL MAURICIO SARMIENTO MORENO

ING. OMAR ARMANDO GELVEZ AROCHA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-MECÁNICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICAREFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

BUCARAMANGA2012

CUARTO FRIO

El Cuarto frio al cual se le hará el control de temperatura cuenta con las siguientes dimensiones:

ELEMENTOS DEL CUARTO FRIO

1

2

4

5

6

3

78

ELEMENTO DESCRIPCIÓN

1. EVAPORADOREncargado de transferir el la carga del cuarto al refrigerante.

2. VÁLVULA DE EXPANSIÓNEncargado de llevar líquido subenfriado a vapor debido a la caída de presión.

3. INTERCAMBIADOR DE CALOR

Aumenta la eficiencia del sistema dado que asegura que a la válvula de expansión solo llegue líquido, también permite la recuperación de calor entre el refrigerante frio y el refrigerante caliente.

4. COMPRESOR HERMÉTICO

Encargado de comprimir el vapor proveniente del evaporador y llevarlo a una alta temperatura para que el calor del sistema sea conducido al ambiente por medio del condensador.

5. CONDENSADOREncargado de transferir al ambiente la carga del cuarto y el trabajo hecho por el compresor.

6. RECIPIENTE DE LÍQUIDOEncargado de recibir el refrigerante proveniente del condensador.

7. FILTRO DESHIDRATADOR

Encargado de retener la contaminación existente en el sistema como humedad, ácidos, suciedad, lodos, etc, que pueden causar daño al compresor o a la válvula de expansión.

8. SEPARADOR DE ACEITEEncargado de separar el aceite del refrigerante y de llevarlo nuevamente al cárter.

FICHAS TÉCNICAS DE LOS ELEMENTOS DEL CUARTO FRIO

EVAPORADOR

VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA

CÁMARA DE ENFRIAMIENTO

CONDENSADOR

COMPRESOR

LAZO DE CONTROL

Para el caso de control continuo en el cuarto frio se usó el siguiente lazo de control:

Los elementos que se usan para el control continuo son:

1. Computador con LabVIEW2. Variador de velocidad3. Compresor 4. Módulos de fieldpoint

TEMPERATURA DEL CUARTO

CONTROL DIFUSO

El control difuso se implementó a dos temperaturas de referencia, estas temperaturas fueron 5°C y 0°C, se implementaron nuevas funciones de membresía así como nuevas reglas de inferencia respecto al archivo original de la tesis de grado.

En la tesis de grado se usaron las siguientes funciones:

ARCHIVOS CONTROLADORES

Cuando se usó ese archivo para verificar si era capaz de controlar el cuarto frio a una temperatura dada se concluyó que ese sistema no podía controlarse pues cuando llegaba al valor set de temperatura el compresor trabajaba a toda marcha y el control nunca se hacía, fue ahí cuando se vio en la necesidad de implementar unas funciones diferentes para un sistema diferente pues éste ya había cambiado lo suficiente debido a las fugas de refrigerante.

El hecho de que el archivo tuviera dos variables de entrada: Diferencia de Temperatura y Derivada hace concluir que el control difuso es de la forma proporcional derivativo, la variable derivada era la causante de que el sistema no fuera estable a ninguna temperatura porque las reglas de

inferencia dependían directamente en la cantidad de la derivada y no tanto del error (diferencia de temperatura).

Dado lo anterior se propuso resolver este problema implementando un control netamente proporcional y fue así como las funciones que se crearon fueron las siguientes:

o Controlador para Tref=5°C

Las reglas que se usaron fueron las siguientes:

Y la gráfica de entrada vs salida queda de la siguiente manera:

En un eje irá la frecuencia y en el otro eje irá la diferencia de temperatura, esta gráfica representa la relación entre la variable de entrada y la variable de salida mediante las reglas, son ellas las que hacen posible que el sistema sea capaz de enviar máxima frecuencia cuando detecte que la diferencia es muy grande, es preciso aclarar que el sistema difuso hace la asunción de que quien lo programa sabe cómo se comporta el sistema, es por esa razón que el sistema de control que se usa para controlar a 5 °C no es el mismo que el de 0°C.

o Controlador para Tref=0°C

Si se compara este archivo con el de 5°C se puede ver que apareció una nueva función de membresía llamada moderada y fue porque este sistema a 0°C ahora debe ser capaz de vencer una carga y al compresor se le va a exigir más para poder mantener esa temperatura, con una función de membresía adicional se puede hacer un control más fino en cuanto a la cantidad de voltios a enviar al variador de frecuencia, las reglas de inferencia quedaron de la siguiente manera:

Con estas reglas se obtiene la siguiente respuesta:

Los dos archivos anteriores fueron creados mediante la opción FUZZY SYSTEM DESIGNER que es parte de LabView, los archivos generados tienen la extensión *.fs (fuzzy system). Para crear un archivo de este tipo hay que hacer los siguientes pasos:

1. Abrir fuzzy system designer

Después de dar click en fuzzy sistema designer debe aparecer la siguiente ventana y presenta varias secciones:

2. Agregar una variable de entradaLo primero que se hace es dar click en agregar variable de entrada (+), inmediatamente aparece la ventana Edit Variable, seguido a eso se le da un nombre a la variable de entrada, en este caso se llama “Diferencia”, además se le da un rango, acá será entre -2 y 30, aclarar que ese rango será Tcuartofrio-Tset.

3. Agregar una función de membresía

Acá es donde se insertan las funciones de membresía que generalmente se ven nombradas como “baja”, “media”, “alta”, una vez se da click ahí se activa la sección de name, shape, color y points, es ahí donde se configura el tipo de función de membresía que uno quiere crear, los puntos de inicio, intermedio y fin.

Variables de

entrada

Área de visualización

Área de visualización

Variables de salida

Agregar variable

Editar variable

Eliminar variable

Agregar función de membresía

Las funciones de membresía predefinidas son:

o Triangularo Trapezoidalo Singleton (impulso)o Sigmoid (senoidal)o Gausiana

Después de dar ok en la anterior ventana aparece la siguiente retornamos a:

Lo que queda es repetir los pasos para agregar la variable de salida y luego de eso configurar las reglas.

Después de haber configurado el sistema controlador difuso para ambos casos (0°C y 5°C) se puede resumir de la siguiente manera:

FUNCIÓN DE MEMBRESÍA

TIPO DEFUNCIÓN

PUNTOSD

IFER

ENCI

ARa

ngo:

-2;3

0MUY BAJA TRIANGULAR -2 -1 0

BAJA TRIANGULAR -1 0 1

MEDIA TRIANGULAR 0 1 3

MOD ALTA TRIANGULAR 1 3 5

ALTA TRIANGULAR 3 5 8

MUY ALTA TRAPEZOIDAL 4 8 30 30

FREC

UEN

CIA

Rang

o: --

7.2;

60 BAJA TRIANGULAR -7,2 12 21,85

MEDIA TRIANGULAR 16,8 36 55,22

ALTA TRIANGULAR 36 60 60

PROGRAMACIÓN GRÁFICA

Para este programa se usaron las librerías fuzzy porque de esta manera era más sencillo programar las funciones y sus reglas, además de eso fue necesario crear el enlace LabView – field point mediante la librería específica, tal vez lo más tedioso fue la manera de encontrar un mezclador de señales para los controladores fuzzy, específicamente fue encontrar el error de un bundle y corregirlo mediante la implementación de un merge signals.

RETROALIMENTACIÓN

TEMPERATURA DEL CUARTO FRIO

TEMPERATURA DE REFERENCIA 0°C ó 5°C

Contador, es el encargado de la frecuencia de muestreo.

Crea un archivo de extensión .txt donde escribe el voltaje que se envía al variador de velocidad y la temperatura del cuarto.

Case que contiene la comunicación hacia el fieldpoint, trabaja con dos condiciones true or false, lo cual lo condiciona a trabajar en fuzzy o apagar el sistema.

Controlador fuzzy

Proceso para crear el programa en LabView

1. Una vez creado un nuevo VI aparecen dos ventanas: Front panel y Block diagram, el primero es la parte visual del programa o lo que imprime el programa o código, el segundo es el espacio donde se programa gráficamente.

2. Crear el while que encierra todo el programa

Crea un bucle que ejecuta el programa hasta que se le de otra condición, si no se inserta esa estructura el programa solo se ejecuta una vez para un solo punto.

3. Insertar comunicación con fieldpoint y división de la señales

While loop

Insertar el cuadro read, encargado de leer lo que el módulo fp-1000 envia.

Unbundle y array to cluster son los encargados de tomar la señal que viene del fieldpoint y dividirla según el arreglo de la termocupla.

Leer del field point

Ruta para leer el field point

Array to cluster

Unbundle, divide la señal de acuerdo al número de canales del fieldpoint usados.

4. Temperatura de referencia, diferencia, feedback y gráficas

Ahora se ingresarán objetos que deben aparecer gráficamente en el front panel, algunos serán de lectura (gráficas) y otros de escritura (Temperatura set).

El elemento T.ref es un bloque se inserta desde el front panel así:

Canal que sensa la Temperatura del cuarto.

Diferencia de temperatura

Derivada

Num. control es un bloque de entrada de datos, aca se pondrá la temperature set.

De la anterior gráfica se observan tres bloques llamados 1, 2 y 3, estos se diferencian básicamente en que 2 y 3 son bloques de entrada de datos que en el front panel representan gráficamente una salida, es decir, son elementos de solo lectura o visualización, muy diferente ocurre con 1 porque este elemento es de entrada por lo tanto el valor lo adquiere en el front panel y ese valor ingresa al código de programación. En el front panel se ven así:

1

3

2

La gráfica que muestra el comportamiento de las dos temperaturas en el tiempo: La temperatura del cuarto y la temperatura de referencia es mostrado en la gráfica anterior. Para insertar ese bloque toca desde el front panel así:

1, 2 y 3 representados en el front panel

5. Controlador fuzzy system

Un controlador fuzzy en LabVIEW puede ser creado mediante dos maneras, por bloques o usando los VI que son más integrados y versátiles. De la primer manera la programación se hace más tediosa, de la segunda manera solo se usan dos iconos y una ruta, la siguiente gráfica muestra las librerías fuzzy en LabVIEW.

Como se aprecia en la anterior imagen, hay muchos iconos para crear el código de control fuzzy pero eso es más tedioso, de la otra forma solo se usarían dos: FL Load Fuzzy & FL Fuzzy Controller.

Esa fue la razón principal por la cual se optó por FL Load Fuzzy & FL Fuzzy Controller, sus iconos son los siguientes:

Las siglas MISO y SISO significan multiple input single output y single input single output respectivamente. Para el circuito se usó un sistema MISO, para dejar la posibilidad de implementar un control proporcional derivativo o proporcional integral.

Los puertos de conexión del bloque FL Load Fuzzy son:

Este bloque es el encargado de cargar el archivo .fs que contiene las variables de entrada, las variables de salida y las respectivas funciones de membresía así como las reglas de inferencia, en otras palabras este bloque carga el cerebro del sistema.

El puerto llamado file path es el encargado de traer la ruta en donde se encuentra el archivo .fs y el puerto fuzzy system out es la salida del bloque y debe enlazarse con el bloque fuzzy controller.

De esa cantidad de entradas y salidas que posee este bloque es importante aclarar que error in, error out, rule invoked value, fuzzy system out & rule weights son puertos que se usan en programación bloque por bloque, como el sistema que se usó en este control fue usando el fuzzy system designer y la extensión .fs esos puertos no se usarán, por lo tanto los puertos activos son: fuzzy system in, input values & output values.

Fuzzy system in: Este puerto es conectado con el fuzzy system out del bloque FL load Fuzzy así:

Input values: Este es tal vez uno de los puertos más difíciles de conectar de manera adecuada, pues varía de acuerdo a su configuración, si el sistema es SISO solo es conectar la señal con ese puerto, pero si el sistema tiene múltiples entradas es necesario mezclarlas y ahí es donde radica el problema, el tipo de mezclador no puede ser cluster to array tiene que ser un merge signals, de esta manera el sistema si acepta las señales.

Output values: Es la salida del sistema fuzzy, lo que sale de ahí es el proceso de desfuzzificación.

6. Conversión de la salida del controlador

El controlador envía una respuesta en frecuencia, pero esta debe ser convertida a un valor de voltaje, es por esa razón que aparece el cuadro con la ecuación:

El valor de voltaje que salga de este bloque es enviado al fieldpoint, esa señal es graficada pero esencialmente llega al case structure (true or false) y se hace la comunicación con el fieldpoint.

7. Case structure

Contiene las dos condiciones para que el sistema: trabajar haciendo control continuo (false) o parando el sistema, cuando el sistema se detiene se envía un cero de voltaje.

Las anteriores gráficas muestran la manera en que el sistema envía la señal al fieldpoint que posteriormente comunicará esa orden al variador de velocidad, en la condición true el valor es cero porque se supone que cuando uno detiene el sistema el compresor debe detenerse.

Finalmente el front panel quedó diseñado de la siguiente manera:

EVOLUCIÓN DE LA TEMPERATURA EN EL TIEMPO CON CONTROL DIFUSO

Control difuso a 5°C

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

5

10

15

20

25

TEMPERATURA DEL CUARTO VS TIEMPO

TIEMPO [s]

TEM

PERA

TURA

[°C]

Control difuso a 0°C

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-5

0

5

10

15

20

25

30

TEMPERATURA DEL CUARTO VS TIEMPO

control a 0°C

tiempo [s]

TEM

PERA

TURA

DEL

CUA

RTO

[°C]

ANÁLISIS DE LOS CONSUMOS DE POTENCIA DE CADA MODALIDAD DE CONTROL

Para el desarrollo de este análisis, se realizó la puesta en marcha del sistema de refrigeración del cuarto frio, controlado en cada una de dichas pruebas por una metodología diferente (ON-OFF, PID, FUZZY), y con unas condiciones de carga (10%) y temperaturas set del cuarto iguales (0°C y 5°C).

Con el fin de tener un criterio para realizar dicho análisis, se midieron y tabularon, empleando el circutor y una pinza amperimétrica, los datos correspondientes a las magnitudes eléctricas (Voltaje, Corriente, Factor de Potencia) que sirvieron para determinar el consumo de potencia del sistema.

Circutor CVMK Pinza Amperimétrica Fluxe

Para el cálculo del consumo de potencia, se emplea la ecuación correspondiente a la potencia activa (Ec. 3), se determina la potencia para cada una de las fases y se suman los 3 valores.

P [W ]=V fase∗I fase∗cos (φ )EC .1

Como la conexión del motor trifásico es de tipo estrella, y el valor del voltaje que se puede medir es entre líneas, se aplica la siguiente relación.

V fase=V lineas√3

EC .2

Por lo tanto la ecuación empleada para la potencia de cada fase es:

P [W ]=V lineas√3

∗I fase∗cos (φ ) EC .3

Para calcular la energía consumida, en cada prueba se empleó la ecuación 4, donde el tiempo de la prueba fue aproximadamente 20 minutos.

E [KW−h ]=∑ Pi [KW ]∗t i [h ]EC .4CONTROL ON-OFF

Empleando la modalidad control on-off, para alcanzar cada una de las dos temperaturas de referencia (5°C y 0°C) en el cuarto frio, se obtuvieron los siguientes datos, donde para cada una de esas temperaturas se manejó tres diferencias las cuales fueron: 1, 2 y 3.

T ref=5℃dif=1

T ref=5℃dif=2

T ref=5℃dif=3

T ref=0℃dif=1

T ref=0℃dif=2

T ref=0℃dif=3

CONTROL PID

Empleando la modalidad control PID, para alcanzar cada una de las dos temperaturas de referencia (5°C y 0°C) en el cuarto frio, se obtuvieron los siguientes datos:

T ref=0℃

T ref=5℃

CONTROL FUZZY

Empleando la modalidad control FUZZY, para alcanzar cada una de las dos temperaturas de referencia (5°C y 0°C) en el cuarto frio, se obtuvieron los siguientes datos:

T ref=0℃

T ref=5℃

COMPARACIÓN DE CONSUMOS

COMPARACIÓN DE CONSUMOS ENTRE LA MISMA MODALIDAD DE CONTROL

ON-OFFPotencia Promedio [KW]Temp Ref: 0°C Temp Ref: 5°C

DIF 1 0,348852482 0,321366127DIF 2 0,261700512 0,244738473DIF 3 0,249009228 0,209808925

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

ref:5°c dif:1 ref:5°C dif:2 ref: 5°C dif:3ref: 0°C dif:1 ref: 0°C dif:2 ref: 0°C dif:3

POTE

NCI

A P

ROM

EDIO

[KW

]

PID

Potencia Promedio [KW]Temp Ref: 0°C Temp Ref: 5°C

0.2698 0.2701

0 200 400 600 800 1000 1200 14000.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

Ref. 0ºC

Ref. 5ºC

TIEMPO [s]

POTE

NCI

A [K

W]

FUZZYPotencia Promedio [KW]

Temp Ref: 0°C Temp Ref: 5°C0.2055 0.2248

0 200 400 600 800 1000 1200 14000.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

Ref. 0ºC

Ref. 5ºC

TIEMPO [s]

POTE

NCI

A [K

W]

COMPARACIÓN DE CONSUMOS ENTRE UN CONTROL PID Y UN CONTROL FUZZY

0 200 400 600 800 1000 1200 14000.0

0.1

0.2

0.3

0.4 POTENCIA CONSUMIDA A 0°C

FUZZY PID

TIEMPO [s]

POTE

NCI

A [K

W]

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 POTENCIA CONSUMIDA A 5°C

FUZZY

PID

TIEMPO [s]

POTE

NCI

A [K

W]

0.1900

0.2100

0.2300

0.2500

0.2700

0.2900

0.2698 0.2701

PID

Ref. 0ºC Ref. 5ºC

Pote

ncia

Pro

med

io [K

W]

0.1900

0.2100

0.2300

0.2500

0.2700

0.2900

0.2055

0.2248

FUZZY

Ref. 0ºC Ref. 5ºC

Pote

ncia

Pro

med

io [K

W]

COMPARACIÓN ENTRE LAS TRES ESTRATEGIAS DE CONTROL

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Consumo de Potencia Promedio - 5°C

ON-OFF Dif 1ON-OFF Dif 2ON-OFF Dif 3PIDFUZZY

Pote

ncia

[KW

]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Consumo de Potencia Promedio - 0°C

ON-OFF Dif 1ON-OFF Dif 2ON-OFF Dif 3PIDFUZZY

Pote

ncia

[KW

]

OBSERVACIONES

El circutor es un dispositivo que puede medir voltaje, corriente y factor de potencia de hasta 3 líneas a la vez, pero solo para corrientes mayores a 1.4 [A]; debido a esta condición y cuando en los controles continuos (PID y FUZZY), la corriente en la fase III presentaba un valor por debajo del 1.4 [A], se empleó la pinza amperimétrica para determinarlo. Además el factor de potencia quedaba indeterminado en esta fase, por lo cual se asumió igual al mínimo valor medido por el circutor para este parámetro.

La comparación de los consumos energéticos entre las tres modalidades de control implementadas, se realizó analizando el valor de la potencia promedio y no en términos de la energía consumida, ya que las pruebas no se realizaron con una misma duración.

Para la determinación de la potencia promedio de la modalidad de control ON-OFF, se dividió la energía total consumida el sistema cuando se encontraba en funcionamiento, entre todo el tiempo de la prueba, teniendo en cuenta que se realizaran ciclos completos de encendido y apagado.

La toma de datos con la estrategia de control fuzzy se llevaron a cabo en días diferentes, ya que para alcanzar las temperaturas del cuarto deseadas, se requirió sintonizar la programación del controlador para cada caso en particular.

Para el diseño del controlador fuzzy en LabVIEW se usó como plataforma de simulación un programa de matlab, para acceder a este comando solo se necesita escribir en el command window: fuzzy.

CONCLUSIONES

La modalidad de control ON-OFF, se basa en el encendido del sistema a su máxima capacidad y el apagado del mismo cuando no se requiere su funcionamiento, con el fin de mantener entre un rango establecido la temperatura del cuarto. Basados en lo anterior y en el comportamiento obtenido de la potencia promedio consumida por el sistema bajo esta modalidad de control, variando el rango permitido sobre la temperatura set; se notó que entre más se disminuye dicha diferencia, el sistema consume más energía, ya que este se enciende y apaga a una frecuencia mayor, independientemente de la temperatura de referencia deseada.

En las modalidades de control continuo, el sistema de refrigeración siempre se encuentra encendido, pero modificando su capacidad al variar las revoluciones del compresor proporcionalmente a los requerimientos de carga del sistema. De las gráficas obtenidas del consumo de potencia del sistema, cuando el cuarto frio se encontraba estable en las proximidades de la temperatura deseada, se observa que, para el caso del PID el consumo de potencia es prácticamente el mismo, independiente de la temperatura de set, lo cual va en contra de la lógica del sistema, lo que se podría justificar con el hecho de que se debe sintonizar dicho controlador para cada caso en específico; para el control FUZZY, se presenta la misma contradicción en el consumo de potencia, porque se tiene un mayor valor a 5°C que a 0°C, lo que se puede justificar por la toma de datos en días diferentes y la variación en la temperatura del ambiente.

De las gráficas de consumo de potencia promedio para cada una de las temperaturas set trabajadas, donde se comparan todas las estrategias de control empleados sobre el sistema de refrigeración, se observa muy claramente que la modalidad ON-OFF es la que presenta un mayor consumo energético independientemente del set point, si se considera el valor correspondiente a la diferencia de 1°C, para compararlo con la precisión de las estrategias PID y FUZZY las cuales presentaron diferencias aproximadas de 0.2°C; esto es justificable en que en esta modalidad de control no regula la capacidad del sistema y se presentan altos consumos en los transitorios de arranque.

El menor consumo energético lo presenta el control FUZZY, ya que este presenta una oscilación más suave en sus señales de control y es más tolerante a imprecisiones y ruidos en las señales de entrada, si se compara con respecto al PID.

De todo el proceso de análisis se deduce que cuando en un sistema de refrigeración se requiera mantener una temperatura sin mucha variación en la misma, es preferible implementar un control de tipo continuo, donde se presentan unas precisiones en estado estable muy bajas, además el consumo es muy inferior comparado con la modalidad ON-OFF, lo que en términos ambientales y económicos es otro punto a su favor.