control automatico de una cuchilla de cortador de papel

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“CONTROL AUTOMÁTICO DE UNA CUCHILLA DE UN CORTADOR DE PAPEL” por Pablo A. Meneses Vidaurre Marcelo M. Salas Peña David Yucra Bellora PROYECTO DE FIN DE CURSO EN LA MATERIA DE CONTROLES AUTOMÁTICOS UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA Carrera de Ingeniería Mecánica 1

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Page 1: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

“CONTROL AUTOMÁTICO DE UNA CUCHILLA DE UN

CORTADOR DE PAPEL”

por

Pablo A. Meneses Vidaurre

Marcelo M. Salas Peña

David Yucra Bellora

PROYECTO DE FIN DE CURSO EN LA MATERIA DE CONTROLES AUTOMÁTICOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS

FACULTAD DE INGENIERÍA

Carrera de Ingeniería Mecánica

Junio de 2009

1

Page 2: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

INDICE

1. Objetivos..............................................................................................................................1

1.1. Objetivo General............................................................................................................1

1.2. Objetivo Específico.........................................................................................................1

2. Introducción.........................................................................................................................1

3. Marco Teórico......................................................................................................................1

3.1. Potenciómetro...............................................................................................................1

3.2. Motor de Corriente Continua........................................................................................2

3.3. Amplificador Diferencial................................................................................................4

3.4. Estabilidad de Sistemas Dinámicos................................................................................5

3.4.1. Estabilidad y Raíces de la Ecuación Característica...............................................6

3.5. Reducción de un Diagrama de Bloques..........................................................................7

4. Ingeniería del Proyecto......................................................................................................10

4.1. Funcionamiento de la Cortadora de Papel...................................................................10

4.2. Planteamiento de las Ecuaciones Físicas......................................................................10

4.3. Obtención del Diagrama de Bloques:...........................................................................12

4.4. Obtención de la Función de Transferencia...................................................................15

4.5. Verificamos la Estabilidad del Sistema.........................................................................16

4.6. Valor de la Ganancia del Controlador Proporcional.....................................................17

4.7. Verificación del Valor de Error del Sistema:.................................................................22

5. Conclusiones......................................................................................................................24

6. Referencias Documentales................................................................................................24

2

Page 3: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

CONTROL AUTOMÁTICO DE UNA CUCHILLA DE UN CORTADOR

DE PAPEL

1. Objetivos

1.1. Objetivo General

Diseñar el control automático para la cuchilla de un cortador de papel.

1.2. Objetivos Específicos

Modelar matemáticamente el sistema físico.

Realizar el diagrama de bloques del modelo.

Obtener la función de transferencia del sistema.

Simular la respuesta del sistema.

2. Introducción

El sistema el cual se está tratando, es de gran uso en la actualidad en la industria

papelera e imprentas para el corte de papel. Es por eso que este trabajo propone dar

una solución alternativa para él control automático del mecanismo de corte, que

permite obtener diferentes tamaños de papel.

En este sistema se verán involucrados como principales componentes: un motor de

corriente continúa, un potenciómetro y amplificador proporcional, los cuales al

analizarlo como un sistema físico se obtendrá un diagrama de bloques que nos permitirá

evaluarlo por medio de la simulación en un software. De esta manera se podrá obtener

la respuesta a una entrada pulso del sistema.

3. Marco Teórico

A continuación realizaremos la descripción de los componentes y teoremas

utilizados para la solución del sistema.

3.1. Potenciómetro

Un potenciómetro es un transductor electromecánico que convierte energía

mecánica en energía eléctrica. La entrada del dispositivo es una forma de

desplazamiento mecánico, ya sea lineal o de rotación. Cuando se aplica un voltaje a

través de las terminales fijas de potenciómetro, el voltaje se salida que se mide entre la

terminal variable y tierra, es proporcional al desplazamiento de entrada, ya sea

linealmente o de acuerdo con alguna relación no lineal1.

1 Kuo B. Sistemas de control automático p. 160

3

Page 4: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Fig. 1: Potenciómetro lineal

3.2. Motor de Corriente Continua

Un motor de corriente continua es aquel que se trabaja o se alimenta de corriente

continua.

Partes principales de un motor de corriente continua:

Inductor o estator (Arrollamiento de excitación): Es un electroimán formado

por un número par de polos. Las bobinas que los arrollan son las encargadas de

producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitación.

Inducido o rotor (Arrollamiento de inducido): Es una pieza giratoria formada

por un núcleo magnético, alrededor del cual va enrollado el devanado del

inducido, sobre el que actúa el campo magnético.

Colector de delgas: Es un anillo de láminas de cobre llamadas delgas, dispuesto

sobre el eje del rotor que sirve para conectar las bobinas del inducido con el

circuito exterior a través de las escobillas.

Escobillas: Son unas piezas de grafito que se colocan sobre el colector de delgas,

permitiendo la unión eléctrica de las delgas con los bornes de conexión del

inducido.

4

Page 5: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Fig. 2: Partes principales de un motor de corriente continúa

Funcionamiento: Un motor de corriente continua basa su funcionamiento en la

fuerza producida en un conductor a causa de la presencia de campo magnético B sobre

una intensidad de corriente eléctrica I . Se representa mediante la siguiente ecuación:

FB=∫0

L

Id l × B [ N ] (1)

Donde:

I=¿ Corriente eléctrica [ A ]

B=¿ Vector campo magnético [ T ]

d l=¿ Diferencial del vector longitud del conductor [ m ]

Se obtendrá el valor máximo de fuerza cuando el campo magnético sea

perpendicular al conductor y se tendrá una fuerza nula cuando el campo sea paralelo al

flujo de corriente eléctrica donde L es la longitud del conductor. El par motor es

producto de esta fuerza.

La fuente de campo magnético proviene del devanado inductor. Este es recibido por

el devanado inducido que hace girar al rotor, el cual recibe la corriente eléctrica de la

fuente mediante un colector y sistemas de escobillas.

El colector es básicamente un conmutador sincronizado con el rotor, que conmuta

sus bobinas provocando que el ángulo relativo entre el campo del rotor u el estator se

mantenga al margen de si el rotor gira o no, permitiendo de esta forma que le par

motor sea independiente de la velocidad de giro de la máquina.

5

Page 6: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Al recibir la corriente eléctrica e iniciar el giro comienza a producirse una variación

en el tiempo de flujo magnético por los devanados, produciendo una fem. inducida EB

que va en sentido contrario a la fem. introducida por la fuente.

Esto nos da como resultado un valor de intensidad resultante:

I=V−EB

R[ A ](2)

Donde:

V=¿ Voltaje de la fuente [ V ]

EB= Fem. inducida [ V ]

R=¿ Resistencia producida por los devanados [ Ω ]

Cuando el motor inicia su trabajo, este inicialmente está detenido existiendo un

valor de EB nulo, y teniéndose así un valor de intensidad retórica muy elevada puede

afectar al rotor y producir arcos eléctricos en las escobillas. Para ello se conecta una

resistencia en serie en el rotor durante el arranque, excepto en los motores pequeños.

Esta resistencia se calcula para que el motor produzca el par nominal en el arranque2.

El motor utilizado en el proyecto basa su funcionamiento en los principios

anteriormente explicados. Es un motor de corriente continúa del tipo de excitación en

derivación, también denominado motor Shunt, en donde los devanados del inductor y

el inducido están conectado en paralelo y alimentados por una fuente en común. Lo

que facilitará la obtención de las ecuaciones físicas del motor.

3.3. Amplificador Diferencial

El amplificador diferencial que está diseñado para amplificar la diferencia

entre los valores de voltaje de dos señales de entrada (V1 y V2). En estos

amplificadores, cada una de las señales se aplica a una de las terminales de

entrada del amplificador. Esto significa que el término aent de la ecuación es

aent=V 1−V 2 (3)

2 Ingeniería Eléctrica, Motor de Corriente Continua. PDF

6

Page 7: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

De esta relación, se sigue que para un amplificador diferencial, la ecuación se

escribe

asal=V sal=(V 1−V 2) ∙ KD (4)

En esta ecuación, a K D se le llama la ganancia diferencial del amplificador.

Fig.3 amplificador diferencial

Como se ve en la fig. 3 en un amplificador diferencial ninguno de sus terminales

de entrada aterriza. Como resultado de ello, se puede emplear el amplificador

diferencial para amplificar la diferencia entre dos voltajes de dos puntos no

conectados a tierra en un circuito. Esto hace que los amplificadores diferenciales

sean adecuados para amplificar la señal de salida de los dispositivos tal como lo

que sucede en este proyecto.

3.4. Estabilidad de Sistemas Dinámicos

La respuesta de un sistema linear a estimulaciones tiene dos componentes:

a) Términos en estado estable lo cuales están directamente relacionados con la

entrada.

b) Términos transitorios lo cuales son exponenciales u oscilatorios con una

envoltura de forma exponencial.

Si los términos exponenciales decaen a medida que el tiempo se incrementa,

entonces el sistema se puede decir que es estable. Si los términos exponenciales se

incrementan al incrementar el tiempo, el sistema es considerado inestable.

7

Page 8: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Fig. 4: Respuesta de sistemas estables

Fig. 5: Respuesta de sistemas inestables

3.4.1. Estabilidad y Raíces de la Ecuación Característica

La ecuación característica de un sistema de segundo orden se define como:

a s2+bs+c=0 (5)

Las raíces de la ecuación característica dadas en la ecuación (5) son:

s1 , s2=−b ±√b2−4 ac

2 a (6)

Estas raíces determinan la respuesta en estado transitorio del sistema y para un sistema

de segundo orden puede ser escrito como:

8

Page 9: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

1. Sobreamortiguado:

s1=−σ1 (7)

s1=−σ1 (8)

2. Amortiguamiento crítico:

s1=s2=−σ (9)

3. Subamortiguado:

s1 , s2=−σ ± jω (10)

Si el coeficiente b en la ecuación (5) fuera negativo, las raíces serán:

s1 , s2=+σ ± jω (11)

Las raíces en la ecuación (10) proveen una respuesta estable de la forma dada en la

Figura 4 a), mientras las raíces de la ecuación (11) dan una respuesta inestable

representada por la Figura 5 a).

La única diferencia entre las raíces dadas en la ecuación (10) y las de la ecuación (11)

es el signo de la parte real. Si la parte real σ es negativa entonces el sistema es estable,

pero si es positiva el sistema será inestable. Esto se mantiene para sistemas de

cualquier orden, por lo tanto, en general se puede establecer: “Si cualquiera de las

raíces de la ecuación característica tiene partes reales positivas, entonces el sistema es

inestable”3.

3.5. Reducción de un Diagrama de Bloques

Debe notarse que los bloques pueden conectarse en serie sólo si la salida de un

bloque no se afecta por el bloque siguiente. Si hay cualesquiera efectos entre las

componentes, estas componentes deben combinarse en un solo bloque.

Cualquier número de bloques en cascada que representen componentes sin carga

puede reemplazarse por un solo bloque, cuya función de transferencia es simplemente

el producto de las funciones de transferencia individuales.

Un diagrama de bloques complicado que involucre muchas trayectorias de

realimentación puede simplificarse mediante un arreglo paso a paso, usando reglas de

3 Roland S. Burns. Advanced Control Engineering. p. 110-112

9

Page 10: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

álgebra de los diagramas de bloques. Algunas de estas reglas importantes se dan en la

tabla 1. Se obtiene escribiendo la misma ecuación en forma diferente. La simplificación

del diagrama de bloques mediante arreglos y sustituciones reduce considerablemente

la labor necesaria para el análisis matemático subsecuente. Debe notarse, sin embargo,

que a medida que el diagrama de bloques se simplifica, la función de transferencia de

los nuevos bloques se hace más compleja porque se generan nuevos polos y nuevos

ceros.

Al simplificar un diagrama de bloques, recuérdese lo siguiente:

1. El producto de las funciones de transferencia en dirección de prealimentación

deben permanecer igual.

2. El producto de las funciones de transferencia alrededor de una malla debe

permanecer igual.

Una regla general para simplificar un diagrama de bloques consiste en mover los

puntos de bifurcación y los puntos suma, intercambiar los puntos suma y después

reducir las mallas internas de realimentación4

4 Katsuhiko Ogata. Dinámica de Sistemas. p. 502-503

10

Page 11: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Tabla 1: Reglas de Álgebra de los Diagramas de Bloques

Diagrama de bloques originales Diagrama de bloques equivalente

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

11

Page 12: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

4. Ingeniería del Proyecto

4.1. Funcionamiento de la Cortadora de Papel

La planta está representada por el motor de corriente continua que a su vez está

conectado mediante un eje a los rodillos que están unidos por una banda de goma

inextensible. En la banda hay una cuchilla y sus accesorios que son representados por

una masa M, esto permite que el motor pueda mover a la cuchilla de izquierda a

derecha (ver Figura 6). La cuchilla es solidaria con el potenciómetro que servirá como

sensor de retroalimentación. El voltaje V c es constante y el que puede ser modificado

es el voltaje V r, este voltaje permite seleccionar el ancho al que se desea cortar el

papel.

El control automático cosiste que evitar que el flujo de papel desvié la cuchilla y

exista daños en el papel y la cuchilla.

4.2. Planteamiento de las Ecuaciones Físicas.

En la Figura 6 se ve la configuración del sistema de cortador de papel, consiste en

una masa M que representa la cuchilla y sus accesorios, también se observa los rodillos

de radio r unidos por una correa de goma inextensible, así mismo el sistema posee un

motor eléctrico de corriente continua y un amplificador diferencial.

Fig. 6: Esquema del sistema de cortador de papel

Ecuaciones físicas del motor:

V a (t )−K e ω(t)=Ri(t ) (12)

Km i ( t )=fω ( t )+(J m+J c)ω( t) (13)

Donde:

V a=¿ Voltaje de salida del amplificador diferencial.

K e=¿ Constante de la fuerza electromotriz.

i(t)=¿ Intensidad de corriente.

Km=¿ Constante del par.

12

Page 13: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

f =¿ Coeficiente de rozamiento viscoso.

Jm=¿ Momento de inercia del motor.

Jc=¿Momento de inercia de la carga.

ω (t )=¿ Velocidad angular.

ω (t )=¿ Aceleración angular.

Ecuaciones físicas del potenciómetro lineal:

V x( t)=α ∙ x (t) (14)

Donde:

V x (t )=¿ Tensión en el cursor.

α=¿ Constante de proporcionalidad del potenciómetro.

x (t )=¿ Posición del soporte

Ecuación física del amplificador diferencial:

V a(t )=K (V r (t )−V x (t )) (15)

Donde:

K=¿ Ganancia diferencial del amplificador.

V r ( t )=¿ Voltaje de referencia.

Ecuación física de los rodillos:

x (t )=r ∙ ω ( t ) (16)

Donde:

x (t )=¿ Velocidad lineal.

r=¿ Radio del rodillo.

Los valores numéricos utilizados en el proyecto son:

V c=10 [ V ] Km=0.1[ N ∙ mA ]

M=0.3 [ Kg ] R=50 [ Ω ]

r=1 [ cm ] f =0.2 ∙10−3[ N ∙ m∙ srad ]

α=0.5 [ Vcm ] Jc=10 [ V ]

13

Page 14: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

K e=0.09 [V ∙ srad ]

4.3. Obtención del Diagrama de Bloques

Como el sistema tiene seis variables (V x , x,V a, V r ,ω, i) y una variable de entrada

que lógicamente será V r, basta con las cinco ecuaciones obtenidas.

Por otra parte:

Jm=M ∙r2=0.3 ∙ 10−4=3 ∙10−5[Kg ∙ m2] (17)

En este caso todas las ecuaciones son ya lineales. No obstante, se trabajará con

incrementos respecto al punto de equilibrio para aplicar la transformada de Laplace.

En el punto de equilibrio no habrá desplazamientos y por tanto:

x0=0 , ω0=0→ω0=i0=V a0=0 (18)

V r0=V x0

=50 ∙ x0 (19)

Las ecuaciones linealizadas en torno al punto de equilibrio, las transformadas de

Laplace y los diagramas de bloques son:

Bloque 1

V x(s)=50 X(s ) (20)

Fig. 7: Representación en bloques

Bloque 2

V a (s)=K (V r ( s)−V x(s )) (21)

Fig.8: Representación en bloques

14

Page 15: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Bloque 3

V a (s)−0.09W (s )=5 I(s) (22)

Fig. 9: Representación en bloques

Bloque 4

(0.2 ∙ 10−3+4 ∙10−5 s) ∙W ( s)=0.1 I(s ) (23)

Fig. 10: Representación en bloques

Bloque 5

10−2W (s)=s X(s ) (24)

Fig. 11: Representación en bloques

Ahora compilando los diagramas tenemos:

Fig. 12: Diagrama de bloques de la cortadora de papel

15

Page 16: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Simplificando, usando tablas 5

Fig. 13: Primer paso de la simplificación

Fig. 14: Segundo paso de la simplificación

Fig. 15: Tercer paso de la simplificación

Fig. 16: Cuarto y último paso de la simplificación

5 Katsuhiko Ogata Dinámica de sistemas p. 503 y 504

16

Page 17: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

4.4. Obtención de la Función de Transferencia

La función de transferencia en lazo abierto G(s):

G (s )=K ∙10−2

S∙

0.2 ∙0.1

0.2∙ 10−3+4 ∙ 10−5 s

1+ 0.2∙ 0.10.2∙ 10−3+4 ∙10−5 s

∙0.09

G (s )=0.02 ∙10−2 ∙ Ks¿¿

(25)

La función de transferencia en lazo cerrado M(s):

M (s )= X (s )V r (s )

=G ( s)

1+50 ∙ G ( s )= 5 K

s2+50 ∙ s+250 K(26)

Se trata de un sistema de segundo orden con constante de amortiguamiento

σ = ξωn = 25 y cuadrado de la frecuencia natural no amortiguada ωn2 = 250K.

El sobrepaso máximo porcentual de un respuesta escalón está entre 25% y 2.5% 6.

Para el sistema ha de escoger una sobreoscilación de 5% ante una entrada escalón,

porque esto no permitirá obtener una referencia para hallar el valor de K verdadero del

sistema:

M p=e− πtgθ =0.05 →

−πtgθ

= ln (0.05 ) →θ=0.809[rad ] (27)

ξ=cos θ=0.69= σωn

= 25

√250 K→ K=5.25 (28)

Luego, para hallar el valor crítico de K se pretende ξ = 1, amortiguamiento crítico:

ξ=1= σωn

= 25

√250 K→ K=2.5 (29)

Para este valor de K el sistema oscilará menos que para la K obtenida en la ecuación (28),

sin embargo será más lento.

Puesto que el sistema es estable se puede aplicar el teorema de valor final:6 Katsuhiko Ogata. Dinámica de Sistemas. p. 543

17

Page 18: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

lims → 0

s ∙ X (s)=lims →0

s1s

5 K

s2+50 s+250 K= 5

250=0.02[m ] (30)

Como se puede apreciar es independiente de K

4.5. Verificamos la Estabilidad del Sistema

Para la verificación de estabilidad del sistema, se utilizo la función de transferencia

en lazo abierto ecuación (25).

Con la herramienta MATLAB podemos probar si el sistema es estable. Escribimos el

comando “edit” en la pantalla de inicio de MATLAB, entonces surge la ventana “edit” en

la cual escribimos los siguientes comandos:

K=1

n=[5*K]

d=[1 50]

rlocus(n,d)

Figura 17: Ventana “edit” de MATLAB

Luego de haber insertado los comandos, se debe ir al menú de herramientas

“debug” y seleccionar la opción “run” como se muestra en la Figura 17.

18

Page 19: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Después de seleccionar la opción “run” se obtiene la siguiente gráfica donde el

comando “rlocus” nos da el valor de las raíces del denominador, las cuales si fueran

valores positivos (al lado derecho del eje de coordenadas) el sistema seria inestable, si

las raíces fueran valores negativos (están en lado izquierdo de la grafica), el sistema

seria estable.

Fig. 18: Representación de las raíces del denominador

Como se observa en la Figura 18, las raíces del denominador de nuestra planta y

controlador a lazo abierto son -50 y 0 lo que nos dice que son números negativos y por

lo tanto el sistema es estable.

4.6. Valor de la Ganancia del Controlador Proporcional

Según nuestro diagrama de bloques (Fig. 12) el controlador elegido es uno

proporcional, para hallar el valor de la ganancia del mismo debemos proceder al análisis

de la función de transferencia del controlador en lazo abierto, es decir sin la

retroalimentación (sensor), esto es porque si se analizara el controlador en lazo

cerrado (con retroalimentación), la gráfica obtenida y por tanto el valor de la ganancia

del controlador proporcional seria una, que nos permitiría mejorar el valor de error.

Ahora por esta razón vamos a analizar la función de transferencia en lazo abierto

ecuación (25), el fin del análisis siguiente es encontrar empíricamente el valor de la

ganancia K del control proporcional del sistema.

19

Page 20: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Es importante resaltar que debe probarse el sistema con una función de entrada

escalón unitario, porque si la respuesta de un sistema lineal a una entrada escalón se

conoce, es posible calcular matemáticamente la respuesta a cualquier entrada7.

Para la obtención del valor del controlador proporcional “K”, utilizamos el mismo

comando de MATLAB mostrado anteriormente (edit). Donde introducimos los

siguientes comandos en la pantalla del programa, como se muestra en la figura

siguiente:

Fig. 19: Ventana “edit” de MATLAB

Una vez seleccionada la opción “run” se obtiene la siguiente gráfica donde el

comando “step”, modela la respuesta de la planta a una entrada escalón unitario, y así

mediante la iteración del valor de K encontraremos el valor requerido de la ganancia

del controlador proporcional.

Para un valor de K = 1

K=1

n=[5*K]

d=[1 50]

step(n,d)

7 Katsuhico Ogata Dinámica de sistemas p. 535

20

Page 21: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Fig.20: Respuesta del sistema a una entrada escalón con K = 1

Para mejorar la respuesta, es imprescindible que la señal de respuesta llegue al valor de

1, ahora probaremos con distintos valores de K

Para K = 20

K=20

n=[5*K]

d=[1 50]

step(n,d)

Fig.21: Respuesta del sistema a una entrada escalón con K = 20

Según la Figura 21 se observa un sobrepaso, es así que se debe disminuir el valor de K.

21

Page 22: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Para K =15

K=15

n=[5*K]

d=[1 50]

step(n,d)

Fig.22: Respuesta del sistema a una entrada escalón con K = 15

Aun existe un sobrepaso de 0.5 en el sistema, debemos disminuir más el valor de

ganancia.

Para K =5

K=5

n=[5*K]

d=[1 50]

step(n,d)

22

Page 23: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Fig.23: Respuesta del sistema a una entrada escalón con K = 5

Entonces procedemos a utilizar un valor de K mayor al anterior (K = 10), para llegar

a esta conclusión tuvimos que iterara varias veces y de esta manera se vamos a

determinar si es que la mejor respuesta se obtiene con este valor de la ganancia del

controlador proporcional.

Para K =10

K=10

n=[5*K]

d=[1 50]

step(n,d)

Fig.24:

Respuesta del sistema a una entrada escalón con K = 10

Entonces el valor de la ganancia del controlador proporcional es K = 10 ya que como

se muestra en la Figura 24 la amplitud de la respuesta alcanza el valor de 1

eventualmente, por lo tanto este es el valor buscado.

Ahora en la Figura 25 se muestra el tiempo que tarda el sistema en alcanzar el 2% de

su valor final.

23

Page 24: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Fig.25: Tiempo de respuesta del sistema a una entrada escalón con K = 10

Se aprecia que el tiempo equivale a 0.0915 [ s ] para el 99% de la respuesta

permanente.

4.7. Verificación del Valor de Error del Sistema

Como se explicó anteriormente este valor puede representarse en una grafica

analizando el controlador en lazo cerrado (con retroalimentación, sensor), la función de

transferencia del controlador en lazo cerrado está representada según la ecuación (26)

es la que se analizará, además el valor de la ganancia del controlador proporcional es

K = 10.

Con la herramienta MATLAB podemos comprobar el valor del error. Escribimos el

comando “edit” en la pantalla de inicio de MATLAB, entonces surge la ventana “edit” en

la cual escribimos los siguientes comandos:

K=10

n=[5*K]

d=[1 50 250*K]

step(n,d)

24

Page 25: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

Fig.26: Ventana “edit” de MATLAB

Luego de haber insertado los comandos, se debe ir al menú de herramientas

“debug” y seleccionar la opción “run” como se muestra en la Figura 26.

Después de seleccionar la opción “run” se obtiene la Figura 27 donde el comando

“step” nos muestra la respuesta del sistema en lazo cerrado a una entrada escalón

unitario, entonces se aprecia el valor de error del sistema.

Fig.27: Valor de error del sistema

Como se observa en la Figura 27, el valor del error coincide con la teoría, ecuación

(30) donde es de 0.02 [ m ].

25

Page 26: Control Automatico de Una Cuchilla de Cortador de Papel

5. Conclusiones

De acuerdo con las ecuaciones físicas del motor de corriente continua de

excitación en derivación, del potenciómetro lineal proporcional y del

amplificador diferencial se consiguió modelar matemáticamente el sistema

físico.

Mediante las ecuaciones matemáticas se representó el diagrama de bloques del

sistema al cual se le aplicó las reglas de simplificación de la Tabla 1, reduciendo

el diagrama a su forma más compacta.

Con la simplificación obtenida se determino la función de transferencia del

sistema en lazo abierto y lazo cerrado que nos permitirá analizar la respuesta.

Mediante el MATLAB se consiguió escoger el valor de la ganancia del

controlador proporcional y de esta manera obtener la respuesta deseada a una

entrada escalón unitario.

Finalmente al haber cumplido todos los objetivos específicos planteados en el

proyecto, se puede concluir que se diseñó un control automático de una cuchilla de un

cortador de papel que responde eficazmente a las perturbaciones del sistema.

6. Referencias Documentales

Katsuhiko Ogata, Dinámica de sistemas. 1ra Ed. (1987). Prentice Hall Hispanoamericana. México. pp. 997. versión PDF.

Katsuhiko Ogata, Ingeniería de Control Moderna. 3ra Ed. (1998). Prentice Hall Hispanoamericana. México. pp. 997. versión PDF.

Roland S. Burns, Advanced Control Engineering. 1ra Ed. (2001). Butterworth – Heinemann. Oxford,UK. pp. 450. versión PDF.

Benjamin Kuo. Sistemas de control automático.7ma Ed. (1996) Pearson Educación

pp.256. Versión PDF.

Daniel J. Pulido G.Ingeniería Eléctrica, Motor de Corriente Continua. pp. 4. Versión PDF

En la elaboración de este proyecto también se consultaron estas páginas web.

Potenciómetro, wikipedia

<http://es.wikipedia.org/wiki/Potenci%C3%B3metro> (13 de junio)

Amplificador diferencial, pdf search engine

<http://grupos.unican.es/dyci/ruizrg/postscript/LibroEcaBasica/Tema6.pdf}> (13 de junio)

26