Diseño de un controlador LQR aplicando un sistema de control de nivel

Abstract

El presente trabajo consiste en el diseño e implementación de un sistema de control para un proceso de llenado y vaciado de un estanque, utilizando un controlador LQR junto con una estrategia de Gain Scheduling para adaptarse a distintos puntos de operación. Para llevar a cabo el estudio se empleó el software Factory I/O como plataforma de simulación, el cual permitió recrear una planta virtual y comunicarse en tiempo real con Python mediante el protocolo Modbus TCP/IP. Durante el desarrollo del proyecto se implementó un sistema de adquisición de datos capaz de registrar el nivel, el flujo y las señales aplicadas a las válvulas del estanque, generando así el conjunto de datos necesario para identificar modelos lineales alrededor de diferentes condiciones de operación. A partir de estos modelos, se calcularon las matrices de ganancia del controlador LQR, lo que permitió construir una estructura de Gain Scheduling para seleccionar automáticamente la ganancia más adecuada según el nivel del estanque. Posteriormente, se integró toda la lógica de control en lazo cerrado, incluyendo el cálculo de la acción LQR, la estimación de estados, el cambio automático de modelo y la limitación del esfuerzo de control. Finalmente, se realizaron pruebas utilizando una señal PRBS con el fin de evaluar cómo respondía el sistema frente a cambios rápidos y aleatorios en el proceso. Los resultados obtenidos muestran que el controlador logró mantener la estabilidad del nivel y reaccionar de manera adecuada ante las perturbaciones generadas por la señal PRBS. Además, el Gain Scheduling permitió seleccionar correctamente las ganancias para cada tramo operativo, mejorando la precisión del control y asegurando un funcionamiento más robusto en todo el rango del estanque.