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Instituto Tecnológico de Querétaro

Departamento de Ingeniería Eléctrica

y Electrónica

Guía de Prácticas de Laboratorio

Materia: Control I

Laboratorio de Ingeniería Electrónica

Santiago de Querétaro, Qro. Septiembre 2012

Elaboró

Ing. Agustín Barrera Navarro

Editora

Anayeli Sánchez Montoya

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Av. Tecnológico S/N, Esq. M. Escobedo, Col. Centro,

CP.76000 Tel: 2274400 ext. 4418

CONTENIDO PRÁCTICA No.1 IDENTIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DE LA FUNCIÓN DE

TRANSFERENCIA DE UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA DE IMÁN

PERMANENTE EN EL DOMINIO DEL TIEMPO .............................................................. 5

1. OBJETIVO .................................................................................................................. 5

2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 5

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 5

4. EQUIPO Y MATERIALES ........................................................................................ 5

5. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 5

PRÁCTICA No.2 IDENTIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DE LA FUNCIÓN DE

TRANSFERENCIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO MEDIANTE RESPUESTA EN

FRECUENCIA ....................................................................................................................... 7

1. OBJETIVO .................................................................................................................. 7

2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 7

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 7


5. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 7

PRÁCTICA No.3 IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES DE TRANSFERENCIA CON

AMPLIFICADORES OPERACIONALES ............................................................................ 9

1. OBJETIVO .................................................................................................................. 9

2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 9

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 9


5. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 9

PRÁCTICA No.4 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD UTILIZANDO EL CRITERIO DE

ROUTH EN UN SISTEMA EN LAZO CERRADO ............................................................. 9

1. OBJETIVO .................................................................................................................. 9

2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 9

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 9


5. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 9

PRÁCTICA No.5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL

VÍA LUGAR GEOMÉTRICO DE LA RAÍZ ........................................................................ 9

1. OBJETIVO .................................................................................................................. 9

2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 9

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 9


5. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 9

PRÁCTICA No.6 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADOR PI O PID VÍA

LUGAR GEOMÉTRICO DE LA RAÍZ PARA REGULAR LA VELOCIDAD DE UN

MOTOR DE CD DE IMÁN PERMANENTE. ...................................................................... 9

1. OBJETIVO .................................................................................................................. 9

2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 9

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 9


5. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 10

PRÁCTICA No.7 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN COMPENSADOR DE

ADELANTO DE FASE PARA MEJORAR EL DESEMPEÑO DE UN CONTROLADOR

PI O PID VÍA LUGAR GEOMÉTRICO DE LA RAÍZ PARA REGULAR LA

VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CD DE IMÁN PERMANENTE. .............................. 17

1. OBJETIVO ................................................................................................................ 17

2. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 17

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 17

4. EQUIPO Y MATERIALES ...................................................................................... 17

5. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 18

PRÁCTICA No.8 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR POR

VARIABLES DE ESTADO CON EFECTO INTEGRAL PARA REGULAR LA

VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CD DE IMÁN PERMANENTE ............................... 19

1. OBJETIVO ................................................................................................................ 19

2. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 19

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 19


5. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 20

PRÁCTICA No.9 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PID

DIGITAL PARA REGULAR LA VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CD DE IMÁN

PERMANENTE MEDIANTE PC O MICROCONTROLADOR ....................................... 19

1. OBJETIVO ................................................................................................................ 19

2. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 19

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 19


5. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 20

PRÁCTICA No.10 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PID

DIGITAL PARA REGULAR LA TEMPERATURA DE UN HORNO MEDIANTE PC O

MICROCONTROLADOR ................................................................................................... 19

1. OBJETIVO ................................................................................................................ 19

2. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 19

3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 19


5. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 20

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MATERIA: CONTROL I

CLAVE DE LA MATERIA: AEF-1009

PRÁCTICA No. 1

Página 5 de 24

PRÁCTICA No.1. IDENTIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DE

LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE UN MOTOR DE

CORRIENTE DIRECTA DE IMÁN PERMANENTE EN EL

DOMINIO DEL TIEMPO

No. DE ALUMNOS: DURACIÓN DE LA PRÁCTICA:

1. OBJETIVO El estudiante comprenderá la utilidad que tienen los métodos de identificación paramétrica

en el dominio del tiempo sobre el modelado basado en leyes físicas de sistemas LTI.

2. INTRODUCCIÓN N/A

3. MARCO TEÓRICO N/A

4. EQUIPO Y MATERIALES

Motor de c.d de Imán Permanente

Convertidor de Frecuencia a Voltaje LM2907 y circuitería anexa

Encoder

Circuito Sujetador

Transistor TIP 120 o equivalente

Amplificadores Operacionales

Lm555

Osciloscopio con puerto USB y dos Puntas

Fuente de Alimentación

Excel

Matlab

5. METODOLOGÍA

5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 1

Página 6 de 24

5.1.1Construir Un circuito para medir la velocidad del motor de c.d. utilizando los

componentes indicados en el apartado Materiales.

5.1.2 Realizar un Barrido de voltajes para obtener la curva de Velocidad- Voltaje del

motor.

5.1.3 Aplicar Una señal de Entrada de Tipo Escalón de un valor tal que se encuentre

en la parte central de la zona más lineal de la curva de respuesta Velocidad-Voltaje del

motor de c.d..

Paralelamente, realizar la medición del voltaje de entrada al motor y el voltaje de salida

del convertidor de frecuencia voltaje (velocidad) en cada canal del osciloscopio.

5.1.4 Detener la captura de la Información antes de que el trazo en la pantalla del

osciloscopio termine. Es necesario asegurarse que el sistema ha estabilizado.

5.1.5 Guardar la información del osciloscopio en la USB, exportar a Excel y realizar la

identificación de la forma indicada en Clase.

5.1.6 Validar el modelo mediante simulación y prueba del sistema Físico.

5.1.7 Resultados a Reportar:

- Función de Transferencia identificada y tipo

- Validación vía simulación y Práctica

- Constantes de Tiempo del sistema

- Ganancia Estática

- Retardo

- Tiempo de Asentamiento

- Determinación de No linealidades del sistema



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 2

Página 7 de 24

PRÁCTICA No.2. IDENTIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DE

LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE UN SISTEMA

ELÉCTRICO MEDIANTE RESPUESTA EN FRECUENCIA


1. OBJETIVO El estudiante comprenderá la utilidad que tiene el diagrama de Bode en la identificación en

el dominio de la Frecuencia sobre el modelado basado en leyes físicas de sistemas LTI.



4. EQUIPO Y MATERIALES - Amplificador Operacional

- Capacitores y Resistencias (Ver Indicaciones)

- Osciloscopio y dos Puntas

- Fuente de Alimentación

- Generador de Funciones

- Excel y Matlab

5. METODOLOGÍA


5.1.1 Construir el siguiente circuito (Fig. 2.1):

5.1.2 Realizar un barrido de Frecuencias con señal senoidal al circuito proporcionado,

mediante un generador de Funciones desde la mínima Frecuencia hasta la máxima

posible disponible en el generador.

La amplitud de la entrada (Vi) se fijara en 1 volt pico a pico.

5.1.3 Realizar las mediciones de amplitud de salida (Vo) y desfasamiento con respecto

a la entrada e ir registrando en una tabla como la propuesta en el punto 5.3



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 2

Página 8 de 24

5.1.4 Graficar en Excel la información de Ganancia dB –frecuencia en una gráfica con

escala logarítmica.

5.1.5 Sobre la Gráfica, trazar asíntotas que se puedan ubicar con pendientes de +/- 20 o

40dB por década.

5.1.6 Realizar la identificación de la Función de Transferencia mediante el método

Visto en Clase.


- Función de Transferencia identificada y tipo

- Validación vía simulación y Práctica

- Constantes de Tiempo del sistema

- Ganancia Estática

- Retardo

- Tiempo de Asentamiento

- Determinación de No linealidades del sistema.

5.2 Diagramas o dibujo

Fig. 2.1

5.3 Tablas Frecuencia W (rad/seg) 20log(Vo/Vi) Fase

0

… Máxima del Generador



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 3

Página 9 de 24

PRÁCTICA No.3. IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES DE

TRANSFERENCIA CON AMPLIFICADORES

OPERACIONALES


1. OBJETIVO Que el alumno comprenda que varios sistemas (mecánicos, hidráulicos, térmicos…etc.),

pueden tener estructuralmente una misma función de transferencia y que esta puede ser

implementada en el laboratorio mediante circuitos electrónicos.



4. EQUIPO Y MATERIALES

Amplificadores Operacionales

Capacitores y Resistencias (determinar por el estudiante)

Osciloscopio y dos Puntas


Excel

5. METODOLOGÍA


5.1.1 Implementar la Siguiente Función de Transferencia con amplificadores

operacionales mediante el procedimiento visto en Clase:



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 3

Página 10 de 24

5.1.2 Aplicar una señal de entrada escalón de 1v y capturar en el osciloscopio la

información de entrada y salida y detener el trazo antes de finalizar el barrido del cursor.

5.1.3 Realizar la simulación de la función de transferencia en Matlab ante la misma

entrada escalón.

5.1.4 Realizar mediciones en el osciloscopio en tiempo y voltaje y comparar con lo

mostrado en la simulación.


- ¿Existe relación entre lo físico y lo simulado y porque?

- ¿Es posible trasladar un sistema físico a un sistema eléctrico?

- ¿Qué ventajas tiene la implementación electrónica sobre un sistema original?



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 4

Página 9 de 24

PRÁCTICA No.4. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD

UTILIZANDO EL CRITERIO DE ROUTH EN UN SISTEMA

EN LAZO CERRADO


1. OBJETIVO Que el estudiante comprenda la importancia que puede tener la variación de un parámetro

en el sistema de control para modificar su desempeño desde condiciones de operación

normales hasta la inestabilidad.



4. EQUIPO Y MATERIALES Amplificadores Operacionales

Capacitores y Resistencias

Osciloscopio con dos Puntas


Matlab

5. METODOLOGÍA


5.1.1Implementar con amplificadores operacionales la siguiente función de

transferencia de trayectoria directa:



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 4

Página 10 de 24

5.1.2 Determinar analíticamente el rango de valores de K que permiten mantener al

sistema estable.

5.1.3 Fijar los valores del punto anterior en el circuito físico y comprobar lo establecido

por el criterio de Routh.

5.1.4 Validar mediciones y cálculos con simulación en Matlab.

5.1.5 Resultados a Reportar

- ¿Qué valor límite de la ganancia k permite una respuesta amortiguada?

- ¿Qué ocurre con la salida del sistema si la ganancia k se fija en el límite de estabilidad?

- ¿Qué ocurre con los polos en lazo cerrado al variar la ganancia k?

- ¿Qué efecto se presenta en la respuesta a moverse los polos cada vez más a la izquierda

del eje imaginario del plano S?



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 5

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PRÁCTICA No.5. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE

CONTROL PROPORCIONAL VÍA LUGAR GEOMÉTRICO

DE LA RAÍZ


1. OBJETIVO Que el estudiante aplique la técnica del análisis de lugar geométrico de la Raíz para diseñar

un control proporcional para regular la velocidad de un motor de CD de corriente directa

(Practica 1).





Motor de CD de Imán Permanente


Encoder

Circuito Sujetador


Lm555



Excel

Matlab

5. METODOLOGÍA




MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 5

Página 10 de 24

5.1.1Utilizando la Planta de la practica 1, construir un control proporcional (lazo

Cerrado).

5.1.2 Utilizando el método de LGR, diseñar un control Proporcional que permita

cumplir con los parámetros de desempeño de sobrepaso menor del 10% y tiempo de

asentamiento menor de 1segundo ante una entrada escalón del sistema de control.

5.1.3 Validar con simulación.


¿Es posible realizar el diseño utilizando LGR?

¿Qué problemas se presentan al utilizar dicho método?

¿El error en estado estable en qué valor se fija?



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 6

Página 9 de 24

PRÁCTICA No.6. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE

CONTROLADOR PI O PID VÍA LUGAR GEOMÉTRICO DE

LA RAÍZ PARA REGULAR LA VELOCIDAD DE UN

MOTOR DE CD DE IMÁN PERMANENTE.



un control PI o PID para regular la velocidad de un motor de CD de corriente directa

(Practica 1).







Encoder

Circuito Sujetador


Lm555



Excel

Matlab



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 6

Página 10 de 24

5. METODOLOGÍA


5.1.1Utilizando la Planta de la practica 1, construir un control PI o PID (lazo Cerrado).

5.1.2 Utilizando el método de LGR, diseñar un control PI o PID que permita cumplir

con los parámetros de desempeño de sobrepaso menor del 10%, tiempo de asentamiento

menor de 1segundo y error en estado estable de cero ante una entrada escalón del

sistema de control.





¿El error en estado estable en qué valor se fija?

¿Cuándo el sistema estabiliza, que valor genera la acción proporcional?

¿Cuándo el sistema estabiliza, que valor genera la acción Integral?

¿Si se incorporó acción derivativa, que contribución tiene?



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 7

Página 17 de 24

PRÁCTICA No.7. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN

COMPENSADOR DE ADELANTO DE FASE PARA

MEJORAR EL DESEMPEÑO DE UN CONTROLADOR PI O

PID VÍA LUGAR GEOMÉTRICO DE LA RAÍZ PARA

REGULAR LA VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CD DE

IMÁN PERMANENTE.



un compensador que mejore el desempeño de un control PI o PID. (Usar sistema de

Practica 5)







Encoder

Circuito Sujetador


Lm555



Excel

Matlab



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 7

Página 18 de 24

5. METODOLOGÍA


5.1.1Utilizando la Planta de la práctica 1 o 5, construir un compensador en adelanto de

fase (lazo Cerrado).

5.1.2 Utilizando el método de LGR, diseñar un compensador de adelanto de fase, que

permita mejorar el desempeño transitorio del controlador de la practica 5.





¿Qué ocurre con el sobrepaso ante una entrada escalón?

¿Qué ocurre con el tiempo de asentamiento ante una entrada escalón?



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 8

Página 19 de 24


CONTROLADOR POR VARIABLES DE ESTADO CON

EFECTO INTEGRAL PARA REGULAR LA VELOCIDAD DE

UN MOTOR DE CD DE IMÁN PERMANENTE


1. OBJETIVO Que el estudiante aplique la técnica de control por retroalimentación de estado con efecto

integrador para regular la velocidad de un motor de CD de imán permanente. (Usar sistema

de Practica 5)







Encoder

Circuito Sujetador


Lm555



Excel

Matlab



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 8

Página 20 de 24

5. METODOLOGÍA


5.1.1Utilizando la Planta de la practica 1 o 5, construir un sistema de control por

variables de estado con efecto integrador en el que las variables a considerar son

Corriente del motor y velocidad del motor.

5.1.2 Proponer estrategia de medición de corriente del motor.

5.1.3 Determinar las ganancias de retroalimentación K1, K2 (Retroalimentación de

estado) y Ke (ganancia de integrador) si las especificaciones de desempeño son de un

tiempo de asentamiento de 2 segundos y sobrepaso de 1% ante una entrada escalón.



¿Qué ocurre con las especificaciones de desempeño?


¿Qué diferencias existen entre esta estrategia de diseño y el LGR?



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 9

Página 19 de 24


CONTROLADOR PID DIGITAL PARA REGULAR LA

VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CD DE IMÁN

PERMANENTE MEDIANTE PC O MICROCONTROLADOR


1. OBJETIVO Conocer el diseño y la implementación de un controlador PID digital para regular la

velocidad de un motor de CD de imán permanente mediante PC o micro controlador







Encoder

Circuito Sujetador


Lm555



Excel

Matlab

LabVIEW

Compact Field Point o DAQ NI USB 6009



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 9

Página 20 de 24

5. METODOLOGÍA


5.1.1Incorporar al sistema de la practica 5, removiendo su controlador, el sistema de

adquisición NIUSB 6009 o el Compact Field Point.

5.1.2 Diseñar un controlador PID continuo que cumpla con las especificaciones de

sobrepaso de 10% y tiempo de asentamiento menor a 1 segundo.

5.1.3 Seleccionar el periodo de muestreo utilizando del Teorema de Muestreo de

Shannon - Nyquist.

5.1.4 Digitalizar el controlador Continuo diseñado usando el tiempo de muestreo

prefijado.

5.1.5 Programar en LabVIEW o en micro controlador la función de transferencia

discreta utilizando las propiedades de la transformada Z.

5.1.6 Validar Mediante Simulación.


-Comportamiento transitorio y estático.

-Diferencia entre el comportamiento continuo y discreto utilizando simulación.

- Conclusión sobre la implementación alambrada y la programada.



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 10

Página 19 de 24


CONTROLADOR PID DIGITAL PARA REGULAR LA

TEMPERATURA DE UN HORNO MEDIANTE PC O

MICROCONTROLADOR


1. OBJETIVO Conocer el diseño e implementación de un controlador PID digital para regular la

temperatura de un horno mediante PC o micro controlador.





Cámara de Acrílico de 10cmX10cmX10cm


Calefactor de 100W

3 Sensores LM35

Lm555



Excel

Matlab

LabVIEW

Compact Field Point o DAQ NI USB 6009



MATERIA: CONTROL I


PRÁCTICA No. 10

Página 20 de 24

5. METODOLOGÍA


5.1.1Incorporar a la cámara de acrílico los sensores y su interface con la DAQ NI USB

6009 o el Compact Field Point.

5.1.2 Diseñar un controlador PID continuo que cumpla con las especificaciones de

sobrepaso de 10% y tiempo de asentamiento menor a 5 minutos.

5.1.3 Seleccionar el periodo de muestreo utilizando del Teorema de Muestreo de

Shannon - Nyquist.

5.1.4 Digitalizar el controlador Continuo diseñado usando el tiempo de muestreo

prefijado.

5.1.5 Programar en LabVIEW o en micro controlador la función de transferencia

discreta utilizando las propiedades de la transformada Z.

5.1.6 Validar Mediante Simulación.


-Comportamiento transitorio y estático.

-Diferencia entre el comportamiento continuo y discreto utilizando simulación.

- Diferencias que existen entre el control de temperatura de un horno y la velocidad de

un motor de c.d.

instituto tecnológico de querétaro departamento de ... de... · prÁctica no.3 implementaciÓn de...

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