guia-1 ejemplo sistema de control de una plancha

1Elementos de un Sistema de Control Automtico.

Vincular las partes que conforman un sistema de control automtico concreto con los diferentes bloques que forman el digrama genrico que se describe en los textos referidos a este tema.

Identificar cada una de las partes que conforman un sistema de control de posicin en lazo cerrado.

Observar la operacin (por separado) de cada una de las partes que conforman el sistema de control de posicin en lazo cerrado.

Implementar el sistema de control de posicin en lazo cerrado. Observar la operacin completa del sistema de control de posicin en lazo cerrado, haciendo

nfasis en la capacidad del sistema para corregir problemas causados por disturbios externos.

1 Unidad PU-2000 con PU-2200. 1 Placa DEGEM EB-116. 1 Par de cables para el multmetro. 9 Cables conectores para el mdulo PU-2000.

La particularidad que caracteriza a un buen sistema de control automtico es la capacidad de auto-

gobernarse, sta puede entenderse como la caracterstica que permite a un sistema, una vez puesto en

operacin y entre varias cosas, corregir en forma dinmica variaciones de sus parmetros de

funcionamiento en un rango aceptable de desviaciones. Esto se logra porque los sistemas de control

automtico operan utilizando retroalimentacin (feedback). La idea es que el sistema monitoree

constantemente la seal de salida y la compar con una seal de referencia, si no son iguales se genera

una seal de error y a partir de sta el sistema acta intentando corregir la discrepancia.

Facultad: Ingeniera.Escuela: Electrnica.Asignatura: Sistemas Control Automtico.Lugar de ejecucin: Instrumentacin y Control (Edificio 3, 2da planta).

Objetivos especficos

Materiales y equipo

Introduccin Terica

Sistemas de control automtico. Gua 1

Objetivo general

2Buen ejemplo de auto-gobernarse es el control de temperatura de plancha de ropa comn.

El aspecto externo de una plancha se muestra en la Figura 1a. En la Figura 1c se observan un esquema

simplificado de las partes que la conforman:

Un elemento calefactor (espiral de caldeo), generalmente un resistor de potencia, este es el

elemento que ser controlado. En la terminologa de control automtico se le llama en general la

Planta.

(a) Aspecto externo (b) Diagrama de bloques

(c) Sistema calefactor activo (d) Sistema calefactor inactivoFigura 1 Control de temperatura de una plancha comn.

Una tira bimetlica formada por dos piezas de metales diferentes los cuales se expanden al

aumentar la temperatura, pero en proporciones diferentes. El efecto anterior se usa para controlar

(permitir o bloquear) el paso de la corriente sobre el elemento calefactor.

Un tornillo (prefijador) que permite ajustar (calibrar) la temperatura a la que se desea operar la

plancha y que a la larga incidir el punto de referencia de la accin de conexin/desconexin de

la tira bimetlica.


3La operacin inicia cuando el usuario, por medio del tornillo calibra a que temperatura desea planchar

(temperatura de referencia). A partir de ah la corriente comienza a circular por el elemento calefactor

generando un incremento de temperatura, que luego de un tiempo determinado har llegar la superficie

de contacto a la temperatura prefijada al inicio del proceso (Figura 1c).

Si la situacin se mantiene as el elemento calefactor continuar calentando hasta (posiblemente) daar el

equipo. Es aqu donde el sistema de control interviene al darse cuenta que se ha sobrepasado el valor

de referencia procede a desconectar el elemento calefactor. El darse cuenta sucede porque la

temperatura es comparada (por la tira bimetlica) con un valor de referencia fijado en forma indirecta por

el tornillo prefijador, lo que se muestra en la Figura 1d.

Lo anterior causar, luego de un tiempo determinado, un descenso en la temperatura de la superficie de

contacto.

Nuevamente el sistema de control interviene al darse cuenta que la temperatura ha descendido bajo un

valor mnimo, procediendo a conectar nuevamente el elemento el elemento calefactor. De aqu en

adelante el proceso se repite en forma cclica.

Una representacin un poco ms abstracta del sistema se muestra en la Figura 1b, en la que las diferentes

partes se representan mediante bloques funcionales, una prctica muy comn en el campo del Control

Automtico (la nomenclatura empleada en la Figura 1b no es la ms difundida pero es vlida para el

ejemplo).

Se puede identificar:

Bloque S: como la planta (el elemento calefactor) cuya salida es la variable que es controlada

W (en este caso particular la temperatura).

Un elemento que compara la variable controlada W con la variable de referencia X (la

temperatura de referencia fijada por el tornillo) y genera la seal de error Xw. Hay que hacer

notar que muchas veces no se compara directamente la variable controlada sino que se

previamente se realiza una conversin usando sensores (trasductores) de seal.

Un elemento de control R, llamado en general el controlador que indica la accin a tomar,

para este ejemplo la conexin/desconexin del elemento calefactor.

Un actuador o elemento de ajuste, que ejecuta directamente la accin ordenada por el

controlador, para este ejemplo es un interruptor.

En la Figura 2 se muestran diferentes diagramas de bloque. La Figura 2a es un diagrama tpico en los


4textos del tema y se caracteriza por su gran nivel de simplificacin y trata de resaltar el hecho de poseer

retroalimentacin. En l se detallan los elementos principales del sistema: la planta, el controlador, el

detector de error y el sensor. No muestra muchos elementos de que son necesarios para que un equipo

real trabaje adecuadamente.

En la Figura 2b se han hecho explcita la presencia del actuador, en la prctica el controlador,

propiamente dicho, no posee las caractersticas (voltaje, corriente, impedancia) necesarias para operar

directamente a la planta y por eso se hace necesaria la existencia de un driver.

En la Figura 2c se muestra que muchas veces las seales que entrega el sensor no tiene las caractersticas

para ser comparada con la seal de referencia y necesita alguna transformacin previa en el caso de la

figura una amplificacin.

Es importante hacer notar que en los sistemas reales muchas veces algunas de estas funciones

estn contenidos dentro de un mismo bloque y por tanto no se pueden separar en forma fsica,

pero si de forma analtica. Podra suceder que el controlador tenga integrado al detector de error

o que el actuador del sistema se encuentre integrado en el controladora tambin podra suceder

que la planta posea su propio driver o sus propios sensores.

(a) Diagrama de bloques tpico, en el que el controlador y el detector de error se encuentran integrados.


5(b) Diagrama de bloques en el que se hace explcita la presencia del elemento actuador que maneja a la planta.

(c) Diagrama de bloques que muestra un amplificador para incrementar la seal que entrega el sensor. Note que el actuador y la planta estn integrados.

Figura 2. Diagrama de bloque de un sistema de control automtico.

En esta prctica util izar diferentes circuitos electrnicos para controlar la posicin de un motor paso a paso, es importante que se concentre en la operacin de los diferentes elementos del sistema como bloques, sin prestar demasiada atencin a los detalles tecnolgicos.

PARTE I: IDENTIFICACIN DE PARTES.

1. Ayudndose de la Figura 3 ubique, en la placa EB-116, las diferentes partes que se listan en la Tabla 1. Una vez ubicadas complete la lista de chequeo.

STEPPER MOTOR U5 DIGITAL COMP.

ABSOLUTE ENCODER S1 DIGITAL POSITION REFERENCE

U1 STEPPER CONTROLLER BUFFER #1

16 STEP ABSOLUTE ENCODER U6 D/A

U2 GRAY TO BINARY DECODER ABSOLUTE ANALOG COMPARATOR

BUFFER & DISPLAY ANALOG POS.REF.

G1 (COMPUERTA NOR)

Tabla 1. Lista de chequeo.


Procedimiento

6Figura 3. Esquema de la placa EB-116

2. Encienda el PU-2000 y ajuste el GENERADOS DE SEALES del PU-2200 a una frecuencia de

aproximadamente 1 Hz.

3. Apague el PU-2000.

4. Coloque la placa EB-116 en los bastidores del PU-2000 y djela firmemente sujetada al conector

5. Realice las siguientes conexiones en el controlador de motor paso:

Entrada CW/CCW a GND de la placa EB-116.

Entrada STEP H/F a GND de la placa EB-116.

Entrada EXT. CLK (compuerta NOR) a la salida TTL OUT del PU-2200.


76. Encienda el PU-2000 y describa la operacin del sistema.

___________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________

7. Cambie la entrada CW/CCW a +5V qu pas?

___________________________________________________________________________________

8. Incremente momentneamente la frecuencia de la seal TTL OUT qu ocurri?

___________________________________________________________________________________

9. Retire el cable que conecta a EXT. CLK. con TTL OUT y el de CW/CCW.

Qu acciones controlan las entradas CW/CCW y EXT. CLK.?

___________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________

10. Conecte las salidas del DECODIFICADOR DE GRAY A BINARIO (O3, O2, O1 y O0) a las

respectivas entradas del BUFFER & DISPLAY (I3, I2, I1, I0).

11. Gire lentamente una vuelta completa la rueda dentada del codificador mientras observa las

salidas del BUFFER & DISPLAY 23, 22, 21 y 20 Qu observa?

___________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________

12. Gire la rueda dentada de manera que la posicin indicada como 0 se ubique a las tres en punto.

NOTA: Todas las salidas de los leds deberan estar apagadas.

13. Gire lentamente la rueda dentada en el sentido de las manecillas del reloj justo hasta lograr que

se encienda la salida 20. Qu ngulo ha girado la rueda dentada? _______________

14. Coloque el dato anterior en la Tabla 2, especficamente bajo el ttulo Angulo final.

15. Contine girando la rueda para completar las columnas ngulo inicialyngulo final de la

Tabla 2.


8Valor decimal Codigo

binario

Angulo

inicial

Angulo

final

Voltaje de

salida del D/A (DAC)

0 0000 0.01 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

8 1000

9 1001

10 1010

11 1011

12 1100

13 1101

14 1110

15 1111

Tabla 2. Respuesta del encoder.

16. En base a lo anterior Cual es la resolucin promedio del encoder? ____________

17. Asegrese que los interruptores S1 (DIGITAL POSITION REFERENCE) estn en posicin baja (valor

0000 binario que corresponde a 0 decimal).

18. Gire la rueda dentada hasta que la posicin indicada como 0, se ubique a las tres en punto y

provoca que todas las salidas de los leds estn apagadas.

19. Usando el multmetro mida el voltaje en las tres salidas del comparador digital y anote sus

mediciones en la primera fila de la Tabla 3.

Cmo interpreta la informacin de estas salidas?

20. Brevemente escriba la interpretacin en la primera fila de la Tabla 3.

21. Apague el PU-2000.

PARTE II: CONTROL DE POSICIN DIGITAL.

22. Realice los siguientes 4 conexiones.


9 Entrada CW/CCW a la salida A > B del comparador digital.

Entrada STEP H/F a GND.

Entrada EXT. CLK (compuerta NOR) a la salida TTL OUT del PU-2200.

Entrada A =B (compuerta NOR) a la salida A = B del comparador digital.

N Cdigo de

salida

de los

leds

Cdigo de la

posicin digital

de referencia A > B A = B A < B INTERPRETACION

1 0000 0000

2 0000 1000

3 1000 1100

4 1100 1000

5 1000 1000

Tabla 3. Respuesta del comparador digital.

23. Coloque los interruptores S1 en 0000 y desconecte momentneamente la seal de TTL OUT.

24. Encienda el PU-2000 y gire la rueda dentada hasta que la posicin indicada como 0, se ubique a

las tres en punto.

25. Suba el interruptor A3 de S1 (1000) y mida el valor de las salidas del comparador digital (como lo

hizo en el paso 19) cmo interpreta la informacin?

26. Brevemente escriba su interpretacin en la segunda fila de la Tabla 3.

27. Reconecte la seal TTL OUT qu ocurri?

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

28. Apague el PU-2000 y desconecte TTL OUT.

29. Suba el interruptor A2 de S1 (1100) y encienda el PU-2000.

30. Asegrese que en los leds se vea el dato 1000 sino es as mueva un poco la rueda dentada.

31. Mida las salidas del comparador digital cmo interpreta la informacin?

32. Escriba la interpretacin en la tercera fila de la Tabla 3.

33. Reconecte TTL OUT qu ocurri?__________________________________________________


10

34. Apague el PU-2000 y desconecte TTL OUT.

35. Baje el interruptor A2 de S1 (1000) y encienda el PU-2000.

36. Asegurndose que en los leds se muestra el dato 1100 mida las salidas del comparador digital

cmo interpreta la informacin?

37. Escriba la interpretacin en la cuarta fila de la Tabla 3.

38. Reconecte TTL OUT qu ocurri?

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

39. En base a lo observado describa la lgica del funcionamiento del control de posicin digital.

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

40. Pida a su docente de laboratorio que aplique una perturbacin externa al encoder para que usted

pueda observar como reacciona el sistema. Describa sus observaciones.

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

41. Apague el PU-2000 y desconecte las seales que salen del comparador digital y la seal de EXT.

CLK.

PARTE III: CONTROL DE POSICIN ANALGICO.

42. Ajuste el potencimetro de la referencias de posicin analgica totalmente en contra de las

manecillas del reloj (valor mnimo).

43. Conecte el multmetro para medir el voltaje de salida del potencimetro de referencia (punto A).

44. Encienda el PU-2000.

45. Mida el valor de la seal de salida en las siguientes posiciones:

Mnima= __________V Media= __________ V Mxima= _________ V

46. Realice los siguientes ajustes:

Las salidas del convertidor DECODIFICADOR DE GRAY A BINARIO ahora se conectarn

a BUFFER #1 E3, E2, E1 y E0 respectivamente (Note que las salidas del buffer van al D/A y

luego al comparador analgico).

Salida A >= B del comparador analgico a la entrada CW/CCW.


11

Salida A = B del comparador analgico a la entrada A = B de la compuerta NOR.

Ajuste el potencimetro de la referencias de posicin analgica totalmente en contra de

las manecillas del reloj.

Coloque la rueda dentada en la posicin de las tres en punto.

Conecte el multmetro a la salida de convertidor de digital a analgico D/A (punto B)

47. Tomando como base la informacin que ya transcribi en la Tabla 2 mida el equivalente (en

voltaje) de las diferentes posiciones del encoder absoluto y as complete la Tabla 2.

48. Coloque la rueda dentada en la posicin de las tres en punto y el potencimetro de referencia de

posicin en el punto medio.

49. Reconecte la seal de EXT.CLK al TTL OUT y describa brevemente lo que sucede.

____________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________

50. Gire el potencimetro de referencia a mximo y describa lo que sucede.

____________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________

51. Regrese el potencimetro al mnimo, desconecte y apague los equipos.

1. Tomando como referencia la Figura 2c y todos los elementos que utiliz para implementar el control de posicin digital dibuje un diagrama de bloques especfico del sistema, indicando a que parte genrica pertenecen.

2. Repita la actividad anterior, pero ahora sobre el sistema de control analgico.

1. Investigue desde la perspectiva del control clsico como se le llama al tipo de control que se decribi en la introduccin terica de esta gua de laboratorio.

K. Ogata Ingeniera de control modernas. DEGEM SYSTEMS. Curso EB-116. Controlde motor paso a paso . GTZ. Electrotecnia de potencia. Curso superior.


Bibliografa

Investigacin Complementaria

Anlisis de Resultados

12

EVALUACION

% 1-4 5-7 8-10 Nota

CONOCIMIENTO 25 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos tericos:-Elementos que componen un sistema de control y su funcin.

Conocimiento y explicacin incompleta de los fundamentos tericos.

Conocimiento completo y explicacin clara de los fundamentos tericos.

APLICACIN DEL CONOCIMIENTO

70 Cumple con uno o ninguno de los siguientes criterios:-Identifica cada una de las partes que conforman un sistema de control de posicin en lazo cerrado. -Implementa el sistema de control de posicin en lazo cerrado. -Analiza como es que el sistema es capaz de corregir problemas causados por disturbios externos.

Cumple con dos de los criterios.

Cumple con los tres criterios.

ACTITUD 2.5 Es un observador pasivo.

Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compaero.

Participa propositiva e integralmente en toda la prctica.

2.5 Es ordenado pero no hace un uso adecuado de los recursos.

Hace un uso adecuado de lo recursos, respeta las pautas de seguridad, pero es desordenado.

Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.

TOTAL


Hoja de cotejo: 1

Gua 1: Elementos de un Sistema de Control Automtico.

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