Control de orden fraccionario del nivel y temperatura del proceso tanque con agua

Abstract

En el presente trabajo de tesis, se implementa un sistema de control multivariable de orden fraccionario para controlar simultáneamente el nivel y la temperatura en el interior de un tanque con agua. A este tanque ingresan un flujo de agua fría y otro de agua caliente mediante dos tuberías, las cuales se mezclan en el tanque y producen un flujo de agua tibia para ser usado posteriormente. Este proceso, llamado tanque con agua, tiene los flujos de agua fría y caliente como entradas, manipulados mediante dos válvulas de control y las salidas son el nivel del tanque y la temperatura del agua de salida. El principal desafío de esta tesis es la interacción de las variables, ya que el control del nivel influye en la temperatura y viceversa. Este problema de interacciones no puede resolverse mediante lazos individuales de control, debido a que el proceso presenta un comportamiento complejo que no se adapta a controladores convencionales. Para llevar a cabo esta implementación, se desarrolla un sistema de control PID de orden entero, el cual sirve como base para el diseño del controlador de orden fraccionario. El sistema de control de orden entero se diseña utilizando el modelo matemático del proceso. Ambos se programan e implementan en un controlador industrial ControlLogix de la marca Allen Bradley. Finalmente, se presenta la metodología de operación de los algoritmos y se muestran los resultados experimentales, los cuales demuestran que el control de orden fraccionario supera en desempeño al control de orden entero.

In the present thesis work, a multivariable fractional-order control system is implemented to simultaneously regulate the level and temperature within a water tank. This tank receives both cold and hot water flows through two pipelines, which are mixed inside the tank, producing a warm water output for subsequent use. This process, referred to as a water tank system, considers the cold and hot water flow rates as inputs, manipulated through two control valves, while the outputs correspond to the tank level and the outlet water temperature. The main challenge addressed in this thesis lies in the interaction between the process variables, since controlling the level directly affects the temperature and vice versa. This interaction problem cannot be effectively solved using independent control loops, as the system exhibits complex dynamic behavior that is not adequately handled by conventional controllers. To address this issue, a conventional integer-order PID control system is first developed, serving as a basis for the design of the fractional-order controller. The integer-order control system is designed using a mathematical model of the process. Both controllers are programmed and implemented on an industrial ControlLogix controller from Allen-Bradley. Finally, the operational methodology of the control algorithms is presented, along with experimental results that demonstrate the superior performance of the fractional-order controller compared to the integer-order approach.