1. Ingeniería

Sistemas de control automático. Guía 1
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Facultad: Ingeniería.
Escuela: Electrónica.
Asignatura: Sistemas Control Automático.
Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio
3, 2da planta).
Elementos de un Sistema de Control Automático.
Objetivo general
•
Vincular las partes que conforman un sistema de control automático concreto con los diferentes
bloques que forman el diagrama genérico que se describe en los textos referidos a este tema.
Objetivos específicos
•
•
•
•
Identificar cada una de las partes que conforman un sistema de control de posición en lazo
cerrado.
Observar la operación (por separado) de cada una de las partes que conforman el sistema de
control de posición en lazo cerrado.
Implementar el sistema de control de posición en lazo cerrado.
Observar la operación completa del sistema de control de posición en lazo cerrado, haciendo
énfasis en la capacidad del sistema para corregir problemas causados por disturbios externos.
Materiales y equipo
•
•
•
•
1 Unidad PU-2000 con PU-2200.
1 Placa DEGEM EB-116.
1 Par de cables para el multímetro.
9 Cables conectores para el módulo PU-2000.
Introducción Teórica
La particularidad que caracteriza a un buen sistema de control automático es la capacidad de “autogobernarse”, ésta puede entenderse como la característica que permite a un sistema, una vez puesto en
operación y entre varias cosas, corregir en forma dinámica variaciones de sus parámetros de
funcionamiento en un rango aceptable de desviaciones. Esto se logra porque los sistemas de control
automático operan utilizando retroalimentación (feedback). La idea es que el sistema monitoree
constantemente la señal de salida y la comparé con una señal de referencia, si no son iguales se genera
una señal de error y a partir de ésta el sistema actúa intentando corregir la discrepancia.
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Sistemas de control automático. Guía 1
Buen ejemplo de “auto-gobernarse” es el control de temperatura de plancha de ropa común.
El aspecto externo de una plancha se muestra en la Figura 1.1a. En la Figura 1.1c 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 será controlado. En la terminología de control automático se le llama en general
“la Planta”.
(a) Aspecto externo
(b) Diagrama de bloques
(c) Sistema calefactor activo
(d) Sistema calefactor inactivo
Figura 1.1 Control de temperatura de una plancha común.
•
Una tira bimetálica 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 incidirá el punto de referencia de la acción de conexión/desconexión de
la tira bimetálica.
Sistemas de control automático. Guía 1
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La operación inicia cuando el usuario, por medio del tornillo calibra a que temperatura desea planchar
(temperatura de referencia). A partir de ahí la corriente comienza a circular por el elemento calefactor
generando un incremento de temperatura, que luego de un tiempo determinado hará llegar la superficie
de contacto a la temperatura prefijada al inicio del proceso (Figura 1.1c).
Si la situación se mantiene así, el elemento calefactor continuará calentando hasta (posiblemente) dañar
el equipo. Es aquí 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 bimetálica) con un valor de referencia fijado en forma indirecta
por el tornillo prefijador, lo que se muestra en la Figura 1.1d.
Lo anterior causará, 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 mínimo, procediendo a conectar nuevamente el elemento el elemento calefactor. De aquí en
adelante el proceso se repite en forma cíclica.
Una representación un poco más abstracta del sistema se muestra en la Figura 1.1b, en la que las
diferentes partes se representan mediante “bloques funcionales”, una práctica muy común en el campo
del Control Automático (la nomenclatura empleada en la Figura 1.1b no es la más difundida pero es
válida 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 señal de error “Xw”. Hay que hacer
notar que muchas veces no se compara directamente la variable controlada sino que se
previamente se realiza una conversión usando sensores (transductores) de señal.
•
Un elemento de control “R”, llamado en general “el controlador” que indica la acción a tomar,
para este ejemplo la conexión/desconexión del elemento calefactor.
•
Un “actuador” o elemento de ajuste, que ejecuta directamente la acción ordenada por el
controlador, para este ejemplo es un interruptor.
En la Figura 1.2 se muestran diferentes diagramas de bloque. La Figura 1.2a es un diagrama típico en los
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Sistemas de control automático. Guía 1
textos del tema y se caracteriza por su gran nivel de simplificación y trata de resaltar el hecho de poseer
retroalimentación. En él 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 1.2b se han hecho explícita la presencia del actuador, en la práctica el controlador,
propiamente dicho, no posee las características (voltaje, corriente, impedancia) necesarias para operar
directamente a la planta y por eso se hace necesaria la existencia de un “driver”.
En la Figura 1.2c se muestra que muchas veces las señales que entrega el sensor no tiene las
características para ser comparada con la señal de referencia y necesita alguna transformación previa en
el caso de la figura una amplificación.
Es importante hacer notar que en los sistemas reales muchas veces algunas de estas funciones están
contenidos dentro de un mismo bloque y por tanto no se pueden separar en forma física, pero si de
forma analítica. Podría suceder que el controlador tenga integrado al detector de error o que el actuador
del sistema se encuentre integrado en el controladora también podría suceder que la planta posea su
propio driver o sus propios sensores.
(a) Diagrama de bloques típico,
en el que el controlador y el
detector de error se encuentran
integrados.
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(b) Diagrama de bloques en el
que se hace explícita la
presencia
del
elemento
actuador que maneja a la
planta.
(c) Diagrama de bloques que
muestra un amplificador para
incrementar la señal que
entrega el sensor. Note que el
actuador y la planta están
integrados.
Figura 1.2. Diagrama de bloque de un sistema de control automático.
Procedimiento
En esta práctica utilizará diferentes circuitos electrónicos para controlar la posición de
un motor paso a paso, es importante que se concentre en la operación de los diferentes
elementos del sistema como bloques, sin prestar demasiada atención a los detalles
tecnológicos.
PARTE I: IDENTIFICACIÓN DE PARTES.
1. Ayudándose de la Figura 1.3 ubique, en la placa EB-116, las diferentes partes que se listan en la
Tabla 1.1. 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 1.1. Lista de chequeo.
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Sistemas de control automático. Guía 1
Figura 1.3. Esquema de la placa EB-116
2. Encienda el PU-2000 y ajuste el GENERADOR DE SEÑALES 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 déjela firmemente sujetada al conector
5. Realice las siguientes conexiones en el controlador de motor paso:
• Entrada STEP H/F a GND de la placa EB-116.
• Entrada CW/CCW a GND de la placa EB-116.
• Entrada EXT. CLK (compuerta NOR) a la salida TTL OUT del PU-2200.
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6. Encienda el PU-2000 y describa la operación del sistema.
___________________________________________________________________________________
7. Cambie la entrada CW/CCW a +5V ¿qué pasó?
___________________________________________________________________________________
8. Incremente momentáneamente la frecuencia de la señal TTL OUT ¿qué ocurrió?
___________________________________________________________________________________
9.
Retire el cable que conecta a EXT. CLK. con TTL OUT y el de CW/CCW.
¿Qué 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 ¿Qué observa?
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
12. Gire la rueda dentada de manera que la posición indicada como 0° se ubique a las tres en punto.
NOTA: Todas las salidas de los leds deberían 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. ¿Qué ángulo ha girado la rueda dentada? _______________
14. Coloque el dato anterior en la Tabla 1.2, específicamente bajo el título “Ángulo final”.
15. Continúe girando la rueda para completar las columnas “Ángulo inicial” y “Ángulo final” de la
Tabla 1.2 (La columna de Voltaje de salida del D/A (DAC) se completará hasta la III
parte).
Valor
Código
Ángulo
Ángulo
Voltaje de
decimal
binario
inicial
final
salida del D/A (DAC)
0
0000
0.0°
1
0001
2
0010
3
0011
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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 1.2. Respuesta del encoder.
16. En base a lo anterior ¿Cual es la resolución promedio del encoder? ____________
17. Asegúrese que los interruptores S1 (DIGITAL POSITION REFERENCE) están en posición baja
(valor 0000 binario que corresponde a 0 decimal).
18. Gire la rueda dentada hasta que la posición indicada como 0º, se ubique a las tres en punto y
provoque que todas las salidas de los leds estén apagadas.
19. Usando el multímetro mida el voltaje en las tres salidas del comparador digital y anote sus
mediciones en la primera fila de la Tabla 1.3.
20. Escriba brevemente como interpreta la información de estas salidas en la primera fila de la Tabla
1.3.
21. Apague el PU-2000.
PARTE II: CONTROL DE POSICIÓN DIGITAL.
22. Realice los siguientes 4 conexiones.
•
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.
Sistemas de control automático. Guía 1
N°
Código
Código de la
de
posición digital
salida
de referencia
A > B
A = B
A < B
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INTERPRETACION
de los
leds
1
0000
0000
2
0000
1000
3
1000
1100
4
1100
1000
5
1000
1000
Tabla 1.3. Respuesta del comparador digital.
23. Coloque los interruptores S1 en 0000 y desconecte momentáneamente la señal de TTL OUT.
24. Encienda el PU-2000 y gire la rueda dentada hasta que la posición indicada como 0º, 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)
26. Escriba brevemente como interpreta la información de estas salidas en la segunda fila de la Tabla
1.3.
27. Reconecte la señal TTL OUT ¿qué ocurrió?
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
28. Apague el PU-2000 y desconecte TTL OUT.
29. Suba el interruptor A2 de S1 (1100) y encienda el PU-2000.
30. Asegúrese que en los leds se vea el dato 1000 sino es así mueva un poco la rueda dentada.
31. Mida las salidas del comparador digital y escriba brevemente como interpreta la información de
estas salidas en en la tercera fila de la Tabla 1.3.
32. Reconecte TTL OUT ¿qué ocurrió?__________________________________________________
33. Apague el PU-2000 y desconecte TTL OUT.
34. Baje el interruptor A2 de S1 (1000) y encienda el PU-2000.
35. Asegurándose que en los leds se muestra el dato 1100 mida las salidas del comparador digital
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Sistemas de control automático. Guía 1
¿cómo interpreta la información?
36. Escriba la interpretación en la cuarta fila de la Tabla 1.3.
37. Reconecte TTL OUT ¿qué ocurrió?
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
38. En base a lo observado describa la lógica del funcionamiento del control de posición digital.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
39. Pida a su docente de laboratorio que aplique una perturbación externa al encoder para que usted
pueda observar como reacciona el sistema. Describa sus observaciones.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
40. Apague el PU-2000 y desconecte las señales que salen del comparador digital y la señal de EXT.
CLK.
PARTE III: CONTROL DE POSICIÓN ANALÓGICO.
41. Ajuste el potenciómetro de la referencias de posición analógica totalmente en contra de las
manecillas del reloj (valor mínimo).
42. Conecte el multímetro para medir el voltaje de salida del potenciómetro de referencia (punto A
en la tarjeta).
43. Encienda el PU-2000.
44. Mida el valor de la señal de salida en las siguientes posiciones:
Mínima= __________V
Media= __________ V
Máxima= _________ V
45. Realice los siguientes ajustes:
•
Las salidas del convertidor DECODIFICADOR DE GRAY A BINARIO (O3, O2, O1 y O0) ahora se
conectarán a BUFFER #1 (E3, E2, E1 y E0 respectivamente). Note que las salidas del buffer van al
D/A y luego al comparador analógico.
•
Salida A≥B del comparador analógico a la entrada CW/CCW.
•
Salida A = B del comparador analógico a la entrada A = B de la compuerta NOR.
•
Ajuste el potenciómetro de la referencias de posición analógica totalmente en contra de las
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manecillas del reloj.
•
Coloque la rueda dentada en la posición de las tres en punto.
•
Conecte el multímetro a la salida de convertidor de digital a analógico D/A (punto B en la tarjeta)
46. Tomando como base la información que ya transcribió en la Tabla 1.2 mida el equivalente (en
voltaje) de las diferentes posiciones del encoder absoluto y así complete la Tabla 1.2.
47. Coloque la rueda dentada en la posición de las tres en punto y el potenciómetro de referencia de
posición en el punto medio.
48. Reconecte la señal de EXT.CLK al TTL OUT y describa brevemente lo que sucede.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
49. Gire el potenciómetro de referencia a máximo y describa lo que sucede.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
50. Regrese el potenciómetro al mínimo, desconecte y apague los equipos.
Análisis de Resultados
1. Tomando como referencia la Figura 1.2c y todos los elementos que utilizó para implementar el
control de posición digital dibuje un diagrama de bloques específico del sistema, indicando a
que parte genérica pertenecen.
2. Repita la actividad anterior, pero ahora sobre el sistema de control analógico.
Investigación Complementaria
1. Investigue desde la perspectiva del control clásico como se le llama al tipo de control que se
describió en la introducción teórica de esta guía de laboratorio.
Bibliografía
•
•
•
K. Ogata “Ingeniería de control moderna”.
DEGEM SYSTEMS. “Curso EB-116. Control de motor paso a paso” .
GTZ. “Electrotecnia de potencia. Curso superior”.
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Hoja de cotejo: 1
Guía 1: Elementos de un Sistema de Control Automático.
Alumno:
Puesto No:
Docente:
GL:
Fecha:
EVALUACION
%
1-4
CONOCIMIENTO
25
APLICACIÓN DEL
CONOCIMIENTO
70
ACTITUD
2.5
Conocimiento
deficiente de los
siguientes fundamentos
teóricos:
-Elementos que
componen un sistema
de control y su función.
Cumple con uno o
ninguno de los
siguientes criterios:
-Identifica cada una de
las partes que
conforman un sistema
de control de posición
en lazo cerrado.
-Implementa el sistema
de control de posición
en lazo cerrado.
-Analiza como es que el
sistema es capaz de
corregir problemas
causados por disturbios
externos.
Es un observador
pasivo.
2.5
TOTAL
Es ordenado pero no
hace un uso adecuado
de los recursos.
5-7
8-10
Conocimiento y
explicación incompleta
de los fundamentos
teóricos.
Conocimiento completo
y explicación clara de
los fundamentos
teóricos.
Cumple con dos de los
criterios.
Cumple con los tres
criterios.
Participa ocasionalmente
o lo hace
constantemente pero sin
coordinarse con su
compañero.
Hace un uso adecuado
de lo recursos, respeta
las pautas de seguridad,
pero es desordenado.
Participa propositiva e
integralmente en toda la
práctica.
Hace un manejo
responsable y adecuado
de los recursos
conforme a pautas de
seguridad e higiene.
Nota