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Elementos de un Sistema de Control Automático.

• 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.

• 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.

• 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.

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

gobernarse”, 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.

Facultad: Ingeniería.Escuela: Electrónica.Asignatura: Sistemas Control Automático.Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta).

Objetivos específicos

Materiales y equipo

Introducción Teórica

Sistemas de control automático. Guía 1

Objetivo general

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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.


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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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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.

En esta práctica util izará 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.


Procedimiento

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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

decimal

Código

binario

Ángulo

inicial

Ángulo

final

Voltaje de

salida del D/A (DAC)

0 0000 0.0°

1 0001

2 0010

3 0011


8

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.


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N° Código

de

salida

de los

leds

Código de la

posición 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 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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¿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.

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.

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.

• K. Ogata “Ingeniería de control moderna”.• DEGEM SYSTEMS. “Curso EB-116. Control de motor paso a paso” .• GTZ. “Electrotecnia de potencia. Curso superior”.


Bibliografía

Investigación Complementaria

Análisis de Resultados

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EVALUACION

% 1-4 5-7 8-10 Nota

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

Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos.

Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos.

APLICACIÓN 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 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.

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 compañero.

Participa propositiva e integralmente en toda la práctica.

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

Guía 1: Elementos de un Sistema de Control Automático.

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