Fig. 1. Sistema Servo Motor modular MS150 y osciloscopio.

Abstract—In this laboratory report, there will be described the procedure to an open loop system characterization using a MS150 servo-motor system, also, this system will be analyzed in terms of its theoretical composition and representation as a block diagram, this last item will also be presented as a closed loop system to measure speed and position. In addition there will be analyzed some closed loop systems in order to properly identify control variables, feedback, and the other blocks involved in a control system.

I.INTRODUCCIÓNN este documento se muestran resultados y análisis concerniente a la caracterización de la

bucla típica de control en lazo abierto y sólo el análisis teórico en lazo cerrado. Para la caracterización de dicha bucla en lazo abierto se utilizó el sistema servo-motor MS150 feedback (ver figura 1) diseñado para fines académicos -como fuente, amplificador y actuador del sistema- del que se hace una breve descripción en cuanto a sus partes componentes, y la tarjeta de adquisición de datos NI DAQ PCI 6014 (ver figura 2) -como comparador y referencia del sistema- de la que se realiza una descripción de los atributos principales. La caracterización del sistema se hace mediante un barrido de la señal de salida del motor que a su vez está conectada a un tacómetro que entrega una señal de voltaje leída y almacenada por el conjunto DAQ-Software LabView. También se presenta el análisis teórico de dos sistemas de control realimentado usando el MS150 para medición de velocidad y posición, adicionalmente de un sistema de las mismas características presente en la industria.

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Juan C. Quintero, estudiante de ingeniería electrónica en la Universidad del Valle, CO 1410100 (e-mail: juan.quintero.patino@correounivalle.edu.co)Juan S. Astudillo, estudiante de ingeniería electrónica en la Universidad del Valle, CO ------- (@correounivalle.edu.co)Andrés Gálvez, estudiante de ingeniería electrónica en la Universidad del Valle, CO (e-mail: @correounivalle.edu.co)

Primera Práctica de Laboratorio, Identificación de Variables y Descripción de la Bucla Típica de Control. (Abril 2016)

Juan C. Quintero, Member, IEEE. Juan S. Astudillo, Andrés Gálvez.

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Fig 2. Tarjeta de adquisición de datos NI DAQ PCI 6014, durante la práctica nunca se tuvo contacto directo con ella, ya que se encontraba dentro de un ordenador.

II. OBJETIVOS

A. Identificar la bucla típica de control y sus elementos en un Sistema

B. Conocer y conectar los componentes del sistema servomotor FeedBack

III. EQUIPOS Y MATERIALES

A continuación se enuncian todos los materiales y equipos que fueron utilizados para realizar la práctica de laboratorio.

A. Multímetro

B. Sistema modular Servomotor Feedback MS150 MK1)Módulo PS150E, fuente de alimentación2)Módulo SA150D, Amplificador.3)Módulo MT150F, motor y taco generador4)Módulo IP150H, potenciómetro

C. Tarjeta de adquisición de datos NI DAQ PCI 6014 con bornera CB-68LP

D. Software Labview

IV. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

A. Servo Motor MS 150Es un equipo diseñado particularmente para estudiar y practicar la teoría de sistemas de control de lazo

abierto y cerrado, más específicamente, sistemas de control de posición y velocidad usando unidades modulares de modo que se puedan observar las salidas y entradas de cada bloque por separado. El MS 150 comprende veinte unidades que pueden ser usadas como:

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1)Un sistema de control completo que incluye todos los ítems posteriores.2)Un sistema DC solamente (ver figura 3)3)Un sistema AC solamente (ver figura 4)4)Un sistema digital usando un entorno en MATLAB.5)Como sets de conversión que permitan el cambio de un sistema a otro (usan hardware adicional).

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Fig. 3. Sistema de DC del MS150, es el set básico del que se derivan todos los otros sistemas, se usa para estudiar individualmente y construir sistemas de control de velocidad y posición, usando señales de error de

DC.

Fig. 4. Sistema de AC del MS150, es usado en cursos de ingeniería de control avanzados, ya que requiere conocimiento detallado de señales AC. Tiene la misma forma básica del sistema DC y comparte algunos componentes, ya que los sistemas AC son fundamentalmente más complicados que los DC, se puede lograr un trabajo teórico de mayor nivel.

B. Tarjeta de adquisición de datos DAQ PCI 6014(ver figura 2)Es una tarjeta producida por National Instruments, con 16 entradas análogas a 200 kilo muestras por segundo, de 16 bits de resolución de entrada, tiene 10 entradas/salidas digitales, y hasta 4 rangos de señal de entrada análoga. Es compatible con los softwares LabView, LabWindows, Measurement studio, VI logger y SignalExpress, bajo los sitemas operativos Windows 2000/xp, Mac Os X y Linux. De los pines mostrados en el diagrama de conexiones (ver figura 11), se utilizan solo dos canales, incluyendo uno de entrada-salida análoga, y otro que incluye la salida del DAC, para poder ver las conexiones de mejor manera (ya que la DAQ se encuentra por dentro del ordenador) se utiliza la bornera CB-68LP (ver figura 5), dónde se especifican todos los pines de la DAQ y donde se pueden evidenciar fácilmente las conexiones

Fig. 5. Bornera CB-68LP con conexiones a los bloques del MS150, y bus de datos a la DAQ

V. PROCEDIMIENTO PRÁCTICO.A continuación se describe el procedimiento práctico realizado durante el laboratorio.

A. Identificación y descripción de los bloques componentes del MS150. 1)Servo Amplificador SA150D (ver figura 6).Es el amplificador de potencia que acciona el motor. Su panel muestra un esquema simplificado del amplificador. El lado izquierdo del panel contiene dos terminales de entrada que aceptan voltajes de señal de entrada sólo positivos: una tensión de entrada positiva [superior a la tensión de la banda muerta], cuando se aplica a un terminal de entrada hará girar el motor en una dirección, una tensión positiva similar aplicada al otro terminal producirá la rotación inversa, entradas negativas no tendrán ningún efecto. El panel también contiene un conjunto de terminales ± 15v que puede ser utilizado por otras unidades. También se muestra el diagrama interno de conexiones (ver figura 7)

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Fig. 6. Servo amplificador FeedBack SA150D

Fig. 7. Diagrama de conexiones internas del amplificador SA150D

2)Fuente de poder PS150E (ver figura 8)Es la fuente de alimentación que proporciona ± 15 voltios de DC a través de dos conjuntos de enchufes, estas tomas se utilizan para operar pequeños amplificadores y proporcionar una tensión de referencia. El amperímetro se utiliza para el control de sobrecarga del motor, las salidas de AC no se utilizan en esta práctica. El diagrama de conexiones internas se muestra en la figura 9.

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Fig. 8. Fuente de poder PS150E, panel frontal.

Fig. 9. Fuente de poder PS150E, diagrama de conexiones internas.

3)Motor DC y tacogenerador MT150F (ver figura 10)El sistema consiste en un motor DC conectado mecánicamente a un tacogenerador, cuya salida se encuentra en la parte superior del motor, de manera que ésta sea interconectada con los otros bloques, el motor tiene un eje con un disco metálico que permite el acople de los diferentes bloques-accesorios compatibles (Potenciómetro para medición de posición, freno magnético).

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Fig. 10. Motor DC conectado a un Tacogenerador, panel superior de conexiones y eje con disco metálico.

B. Relación de conexiones de la NI DAQ PCI 6014 Los pines usados se especifican a continuación, también se muestra la tabla de pines completa de la DAQ (ver figura 11)1)Pin 22-Salida AC (DAC Out)2)Pin 66-Canal 1 (-)3)Pin 33-Canal 1 (+)4)Pin 54-AOGND, tierra de las salidas análogas

Como se puede observar, en las imágenes (figura 5, 6,10) el canal 1, correspondiente a los pines 33 y 66 (positivo y negativo respectivamente) están conectados al motor de DC, o mejor dicho a la salida del tacogenrador que provee una señal de voltaje respecto a la velocidad. El otro canal usado correspondiente a los pines 22 y 54 van conectados al amplificador, teniendo el pin 22 (cable azul) como entrada del sistema de amplificación y el pin 54 (cable blanco) como tierra. De esta manera se puede interpretar que la DAQ está recibiendo la señal de la velocidad de giro del motor, y la está comparando con el set-point establecido por el usuario en el software (LabView) en términos de voltaje. Y luego genera una señal de salida que se aplica al amplificador que a su vez hace de “controlador” reduciendo o aumentando el voltaje de entrada del motor, que a su vez, variará la velocidad de giro.

Fig. 11. Diagrama de conexiones de la NI DAQ PCI 6014

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VI. SISTEMA SERVOMOTOR FEEDBACK EN LAZO CERRADO.A continuación se muestran los sistemas de control de posición y velocidad realimentados, utilizando el sistema Servomotor FeedBack MS150.A. Sistema de control de posición.En el datasheet del MS150 se puede encontrar el diagrama de bloques para el sistema de control de posición (ver figura 12), pero en la práctica el sistema de adquisición de datos y el filtrado de señales se hacía de manera diferente, entonces, se realiza también un diagrama de bloques correspondiente al montaje real (ver figura 13), cabe resaltar que estos sistemas no fueron montados durante la práctica, el diagrama sólo se refiere a la diferencia en los sistemas de adquisición y filtrado, así como la etapa de suma de señales.

Fig. 12. Sistema de control de posición presente en el datasheet del MS150.

Fig. 13. Diagrama de bloques del sistema de control de posición con el MS150.

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B. Sistema de control de velocidad.En el datasheet del MS150 se puede encontrar el diagrama de bloques para el sistema de control de velocidad (ver figura 14), pero de la misma forma que el ítem anterior, se realizó un nuevo diagrama de bloques más acorde al sistema en el que se trabajó durante la práctica (ver figura 15).

Fig. 14. Sistema de control de velocidad presente en el datasheet del MS150.

Fig. 15. Diagrama de bloques del sistema de control de velocidad con el MS150 y DAQ PCI 6014.

VII.ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO Para éste ítem se analizara un sistema de control de temperatura y ph para un sistema de degradación anaerobia o biodigestor (ver figura 16), y se realizará un diagrama de bloques en base a la información suministrada (ver figura 18).

A. Sistema de control de pH:1)Un electrodo de pH que censa el nivel de pH y envía la medición al módulo de entrada de un sistema modular FieldPoint de National Instruments (sistema para monitoreo, registro y control), concretamente al módulo FP-AL-110 que funciona como módulo de entrada analógico, dónde la señal es filtrada y convertida a digital.

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2)La señal de medición es enviada a un computador a través del módulo de red FP-1000 por comunicación serial RS 232, y se hace uso de una interfaz gráfica en el Software LabView 2009 (Ver figura 17) para establecer el set-point, realizar la comparación y tomar la decisión, la señal resultante es enviada al módulo de salida FP-AO-200, donde es convertida a análoga.

3)Una bomba diafragma que dosifica una solución de bicarbonato de sodio para regular el pH cuando la señal del módulo FP-AO-200 llegue a un relé de estado sólido para activarla o desactivarla.

B. Sistema de control de temperatura:1)Tres termocuplas tipo J; ubicadas a lo largo de una columna que funciona como planta del proceso, que miden y envían la señal de error al módulo FP-TC-120 (Módulo de entrada analógico para termocuplas estándar), dónde la señal se convierte a digital.

2)El controlador funciona de la misma manera que en el caso del medidor de pH.

3)El actuador sería en éste caso, una resistencia de calentamiento que sería la encargada de calentar el flujo que entra al biodigestor.

Fig. 16. Sistema de control de temperatura y pH para un biodigestor

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Fig. 17. Interfaz gráfica en LabView.

Fig. 18. Diagrama de bloques del control de pH.

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VIII. CONCLUSIÓN

A conclusion section is not required. Although a conclusion may review the main points of the paper, do not replicate the abstract as the conclusion. A conclusion might elaborate on the importance of the work or suggest applications and extensions.

BIBLIOGRAFÍA

[1] W. Xie, H. Hong, T. Wen, G. Huard, “MECH 371 Analysis and Design of Control Systems Laboratory Manual”, Canada, 2015, http://users.encs.concordia.ca/~bwgordon/mech371_lab_manual.pdf

[2] Claudia. M. Velandia, “Implementación de un Sistema de Control de pH y temperatura para un Biodigestor de Lecho Fijo,” Universidad Industrial de Santander, Colombia, 2010, http://repositorio.uis.edu.co/jspui/bitstream/123456789/6660/2/134910.pdf.

[3] “Guia de Laboratorio de Fundamentos de Control de Sistemas Lineales (710180M),” Escuela de ingeniería eléctrica y electrónica., Universidad del Valle, Valle del Cauca, Colombia, Abril, 2016.

[4] FeedBack Instruments, “Modular Servo Instructional Servo System,” FeedBack Instruments, United Kingdom, Nov, 2013.

Juan C. Quintero (M’16) Santiago de Cali, Colombia, Mayo del 93. Tecnólogo en Electrónica, Universidad del Valle, Cali, Valle, Colombia, 2013. Él ha trabajado como Asesor Comercial y Soporte Web para E-xcelence Consultores (2013-2016). Ha trabajado en el desarrollo de varios proyectos dentro del contexto de la carrera de Tecnología en Electrónica, como “Parqueadero Automático con Sensores Inductivos e Infrarrojos con Comunicación Web”, “Sistema de Control de Temperatura PID de Una Autoclave con Gráfica en Tiempo Real”, entre otros.

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