Maestría en Ingeniería Mecánica · 2024
Modelo de detección y tolerante a fallas con observadores para un servosistema electrohidráulico de posición
Este proyecto busca incentivar la investigación en técnicas de mantenimiento predictivos y gestión de fallas que se presentan en procesos industriales brindando la posibilidad de reducir costos de man-tenimiento, reducción en riesgos de seguridad y extender la vida útil de los equipos. Considerando el sistema físico y las ecuaciones que gobiernan su comportamiento matemático y dinámico se planteó un modelado, el diseño e implementación de un sistema residual y observador óptimo de Kalman para el sistema de la mesa sísmica hidráulica uniaxial del grupo de investigación DICBoT de la uni-versidad Industrial de Santander. Se implementó un sistema de residuos para detectar las fallas internas en los sellos del pistón de un servo-actuador electrohidráulico (Fallos de 0%, 10%, 20%, hasta 30% del flujo nominal de trabajo) y fallos del sensor de posición LVDT, el filtro de Kalman permito la tolerancia a las fallas por ruido en el sensor de posición. Se tomaron datos de posición para señales seno 1.0 [Hz] para realizar el proce-samiento de señales y extracción de características. Se realizo la identificación del parámetro fuga y se estableció un intervalo de confianza para detectar las fallas, se realizó validación del funcionamiento del modelo y se comparó la respuesta con mode-los de otros trabajos acerca de la misma temática.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 15
- DESCRIPCION DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓNp. 15
- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAp. 16
- PREGUNTA DE INVESTIGACIÓNp. 19
- HIPÓTESISp. 19
- JUSTIFICACIÓNp. 20
- OBJETIVOSp. 22
- OBJETIVO GENERALp. 22
- OBJETIVOS ESPECÍFICOSp. 22
- ESTADO DEL ARTEp. 23
- SISTEMA DE DETECCIÓN Y DIAGNÓSTICOS DE FALLAS (FDD)p. 24
- GENERACIÓN DE RESIDUAL PARA DETECTAR FALLASp. 27
- KALMANp. 29
- DE POSICIÓN (LVDT) Y FUGAS EN EL SELLOS DEL PISTÓNp. 31
- MODELO MATEMÁTICO Y DINÁMICOp. 31
- Modelo dinámico no linealp. 31
- Análisis del actuadorp. 32
- Análisis de la servoválvulap. 33
- Relación de la servoválvula con el actuadorp. 34
- Ecuaciones de estado no linealp. 34
- Ecuaciones de estado linealp. 35
- Representación en espacio de estado para el sistema linealp. 37
- TOLERANTE A LOS FALLOSp. 39
- ELECTROHIDRÁULICOp. 39
- 5.1.1. Fallas de ruido en el sensor de posición (LVDT)p. 39
- 5.1.2. Fallas de fuga en los sellos del pistónp. 42
- MODELO DE DETECCION E IDENTIFICACIÓN DE FALLASp. 44
- Ecuaciones de paridadp. 44
- Generación de residuales estructuralesp. 46
- Desarrollo de residuales estructuradosp. 48
- Simulación del algoritmo para detección e identificación de fallasp. 53
- DEL SERVOACTUADOR ELECTROHIDRÁULICOp. 56
- 5.3.1. Observador óptimo de Kalmanp. 57
- 5.3.2. Simulación del algoritmo de tolerante a fallasp. 62
- DETECCIÓN DE FUGAS INTERNAS FORMA COMPUTACIONALp. 67
- Configuración de estados iniciales:p. 67
- 5.4.2. Discretización del sistema por el método de Eulerp. 68
- 5.4.3. Inclusión de parámetro de fuga 𝑪𝒍𝒆𝒂𝒌= 𝒙𝟎(𝟔)p. 68
- 5.4.4. Configuración de parámetros del filtro de Kalmanp. 69
- 5.4.5. Creación del filtro de Kalmanp. 70
- VALIDACIÓN NUMERICAp. 76
- VALIDACIÓN DEL MODELOp. 76
- 6.1.1. Validación del componente posiciónp. 76
- 6.1.2. Validación del componente presiónp. 77
- COMPARACIÓN CON OTROS MODELOSp. 80
- 6.2.1 Comparación con modelo de relacionados con filtro de Kalmanp. 80
- RECOMENDACIONESp. 82
- TRABAJO FUTUROp. 83
- CONCLUSIONESp. 84
- BIBLIOGRAFÍAp. 85
- ANEXOSp. 91
- Figura 1. Representación sello dañado causante de falla de fuga internap. 17
- Figura 2. Gráfico para representar fallas por ruidos en el sensor de posición (LVDT)p. 18
- Figura 3. Clasificación de métodos de detección de fallasp. 24
- Figura 4. Representación esquemática no lineal del servosistema electrohidráulicop. 31
- Figura 5. Modelo de la planta de servosistema electrohidráulico de posiciónp. 36
- Figura 6. Esquema de proceso con perturbaciones 𝒗, 𝒏 y fallas aditivas 𝒇𝒍, 𝒇𝒎p. 39
- Figura 7. Esquema de inclusión de fallas de ruido y perturbaciones en el modelop. 40
- Figura 8. Gráfico Posición vs Tiempo para una señal seno 1 [Hz]p. 41
- Figura 9. Gráfico Presión vs Tiempo para una señal seno 1 [HZ]p. 43
- Figura 11. Generación residual con ecuaciones de paridad por error de Polinómicop. 45
- Figura 12. Modelo general de esquema de residualp. 53
- Figura 13. Señal de excitación para generación de residualp. 54
- Figura 14. Residuos para la detección de fallas de ruido en sensor de posiciónp. 54
- Figura 16. Esquema de etapas para un filtro de Kalmanp. 60
- Figura 17. Diagrama secuencia de filtro de Kalmanp. 61
- implementadop. 63
- perturbaciones, 𝑥𝑝p. 64
- perturbaciones, 𝑃𝐿p. 64
- a pesar de experimentar fuga del 0.0%p. 65
- a pesar de experimentar fuga del 10%p. 65
- a pesar de experimentar fuga del 20%p. 66
- a pesar de experimentar fuga del 30%p. 66
- Figura 25. Señal de Entrada EKFp. 71
- Figura 26. Medida de posición del servosistemap. 72
- Figura 27. Medida del coeficiente fuga del servosistemap. 72
- Figura 28. Estimación de posición con intervalo de confianzap. 73
- Figura 29. Estimación del coeficiente Fuga con intervalo de confianzap. 73
- Figura 30. Error Posición Real vs Posición Estimadap. 74
- Figura 31. Error coeficiente Fuga Real vs coeficiente Fuga Estimadap. 74
- Figura 32. Inducción de cambio en parámetros fuga para simular fallap. 75
- Figura 33. Representación de componente de posición actuadorp. 76
- Figura 34. Validación de componente posición del actuadorp. 76
- Figura 35. Representación del componente presión de la servoválvulap. 77
- Figura 36. Validación de componente presión de la servoválvulap. 77
- Figura 37. Representación del componente de la fuga del actuadorp. 78
- Figura 38. Validación del componente fuga del actuadorp. 79
- Figura 39. Respuesta de filtro Kalman para comparaciónp. 80
- Tabla 1. Parámetros obtenidos a partir de otros trabajosp. 38
- Tabla 2. Parámetros físicos del servoactuador electrohidráulico de posiciónp. 38
- Tabla 3. Parámetros físicos obtenidos de catálogos de fabricantesp. 38
- Tabla 4. Parámetros de fugasp. 42
- Tabla 5. Comportamiento de fallas en diferentes componentesp. 52
- Anexo 1. Código actuadorp. 91
- Anexo 2. Código servoválvulap. 91
- Anexo 3. Código Observador de posiciónp. 91
- Anexo 4. Código Observador de presiónp. 93