Modelado y simulación de un calentador de agua eléctrico de temperatura variable basado en un controlador proporcional integral derivativo

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dc.contributor.advisorLoyola Carranza, Wilber Alamiro
dc.contributor.authorUceda Pérez, Juan Manuel
dc.date.accessioned2023-11-28T16:13:00Z
dc.date.available2023-11-28T16:13:00Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractLa presente investigación tuvo como propósito desarrollar el modelo y la simulación computacional de un calentador de agua eléctrico, con control variable de temperatura basado en la implementación de un controlador PID, con anti-windup a un hervidor eléctrico. El modelado se llevó a cabo mediante la aplicación de balances de materia y energía, así como en una prueba de lazo abierto. Para esto último, se ensambló un sistema de medición de la temperatura con una placa Arduino Uno y un sensor DS18B20, obteniéndose un modelo FOPDT mediante ajuste por mínimos cuadrados de las curvas de reacción. Posteriormente, se propuso el diseño del lazo de control PID y se realizó la sintonización del controlador basada en la aplicación de cinco metodologías diferentes y anti-windup. Los resultados de la simulación demostraron que la metodología basada en Ali y Majhi (2010) proporcionaron las respuestas dinámicas con menores sobrepasos y tiempos de estabilización, asimismo un menor consumo energético durante la primera hora de funcionamiento del aparato. The purpose of this research was to develop the model and computational simulation of an electric water heater with variable temperature control, based on the implementation of a PID controller with anti-windup to an electric kettle. The modeling was carried out by applying mass and energy balances, as well as in an open loop test. For the latter, a temperature measurement system was assembled with an Arduino Uno board and a DS18B20 sensor, obtaining a FOPDT model by means of least squares adjustment of the reaction curves. Subsequently, the design of the PID control loop was proposed and the controller tuning was carried out based on the application of five different and anti-windup methodologies. The simulation results showed that the methodology based on Ali and Majhi (2010) provided the dynamic responses with the smallest overshoots and short stabilization times, as well as lower energy consumption during the first hour of device operation.
dc.description.tableofcontentsÍNDICE RESUMEN ...................................................................................................... 11 ABSTRACT ...................................................................................................... 12 I. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 12 1.1. Realidad problemática ....................................................................... 12 1.2. Antecedentes ..................................................................................... 13 1.3. Marco Teórico .................................................................................... 17 1.3.1. Hervidor de Agua Eléctrico ......................................................... 17 1.3.2. Controlador On-Off ..................................................................... 18 1.3.3. Control Proporcional Integral Derivativo (PID) ............................ 20 1.3.4. Efecto Windup............................................................................. 21 1.3.5. Placa Arduino Uno...................................................................... 22 1.3.6. Sensor DS18B20 ........................................................................ 22 1.3.7. Métodos de Sintonización Controladores PID............................. 22 1.3.7.1. Método de la Respuesta en Escalón de Ziegler y Nichols....... 22 1.3.7.2. Métodos de Visioli ................................................................... 24 1.3.7.3. Método de Síntesis Directa ..................................................... 25 1.3.7.4. Método de Ali y Majhi .............................................................. 26 1.3.7.5. Método de Arrieta, Vilanova y Visioli ....................................... 27 1.4. Problemas.......................................................................................... 29 1.4.1. Problema General....................................................................... 29 1.4.2. Problemas Específicos................................................................ 29 1.5. Objetivos ............................................................................................ 29 1.5.1. Objetivo General ......................................................................... 29 1.5.2. Objetivos Específicos .................................................................. 29 1.6. Hipótesis ............................................................................................ 29 1.6.1. Hipótesis General ....................................................................... 29 1.6.2. Hipótesis Específicas.................................................................. 30 1.7. Importancia del Problema .................................................................. 30 II. MATERIALES Y MÉTODOS..................................................................... 31 2.1. Modelado de un Hervidor de Agua Eléctrico...................................... 31 2.1.1. Objeto de estudio........................................................................ 31 2.1.2. Métodos y técnicas ..................................................................... 31 2.1.2.1. Análisis Termodinámico .......................................................... 31 2.1.2.2. Prueba de Escalón Abierto...................................................... 32 2.1.2.3. Técnicas matemáticas............................................................. 34 2.1.2.4. Métodos computacionales....................................................... 35 2.1.3. Equipos e instrumentación.......................................................... 35 2.1.4. Procedimiento experimental........................................................ 35 4 2.2. Diseño del Lazo de Control PID de Temperatura............................... 36 2.2.1. Métodos y técnicas ..................................................................... 36 2.3. Diseño del Controlador PID ............................................................... 36 2.3.1. Métodos y técnicas ..................................................................... 36 2.3.1.1. Modelado de ajuste ................................................................. 36 2.3.1.2. Fórmulas de sintonización....................................................... 37 2.3.1.3. Esquema anti-windup.............................................................. 37 2.3.1.4. Setpoint weighting ................................................................... 37 2.3.1.5. Caracterización dinámica ........................................................ 37 2.3.1.6. Técnicas computacionales ...................................................... 37 III. RESULTADOS ...................................................................................... 41 3.1. Modelo Matemático del Hervidor de Agua Eléctrico........................... 41 3.2. Diseño Propuesto del Lazo de Control PID........................................ 46 3.3. Diseño del Controlador PID ............................................................... 47 IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS........................................................ 60 4.1. Modelado Teórico y Fenomenología.................................................. 60 4.2. Propuesta Tecnológica ...................................................................... 63 4.3. Rendimiento del Controlador PID....................................................... 64 V. CONCLUSIONES...................................................................................... 67 VI. RECOMENDACIONES ............................................................................. 67 VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................... 68 ANEXOS .......................................................................................................... 77
dc.formatapplication/pdf
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14414/19871
dc.language.isoes
dc.publisherUniversidad Nacional de Trujillo. Fondo Editorial
dc.publisher.countryPE
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectArtefactos eléctricos
dc.subject.ocdehttps://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.04.00
dc.titleModelado y simulación de un calentador de agua eléctrico de temperatura variable basado en un controlador proporcional integral derivativo
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis
dc.type.versioninfo:eu-repo/semantics/publishedVersion
renati.advisor.dni17805579
renati.advisor.orcid000-0002-8527-6115
renati.author.dni74041732
renati.discipline531026
renati.jurorWong López, Ernesto Segundo
renati.jurorMoreno Eustaquio, Walter
renati.jurorEsquerre Pereyra, Paul Henrry
renati.jurorLoyola Carranza, Wilber Alamiro
renati.levelhttp://purl.org/pe-repo/renati/level#tituloProfesional
renati.typehttp://purl.org/pe-repo/renati/type#tesis
thesis.degree.grantorUniversidad Nacional de Trujillo. Facultad de Ingeniería Química
thesis.degree.nameIngeniero Químico
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