Sistemas de lazo Abierto y lazo cerrado

Transcripción

1 Sistemas de Control Automático. Guía 3 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Sistemas de Control Automático. Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta). Se hará en dos sesiones Sistemas de lazo Abierto y lazo cerrado Objetivo General Comprender el funcionamiento de sistemas a lazo abierto y lazo cerrado. Objetivos específicos Explicar el propósito de cada uno de los elementos que constituyen un sistema en lazo abierto y en lazo cerrado. Analizar el comportamiento de ambos sistemas ante perturbaciones externas e internas. Establecer las diferencias y características principales de ambos sistemas. Materiales y equipo 1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN 15 VCD [SO3538-8D]. 1 REFERENCIA DE VOLTAJE [SO3536-5A]. 1 AMPLIFICADOR DE POTENCIA [SO3536-7Q]. 1 SISTEMA CONTROLADO DE TEMPERATURA [SO3536-8T]. 1 SISTEMA MOTOR-GENERADOR [SO3536-8S]. 1 GRAFICADOR X-Y Y-t (PLOTTER). 1 VOLTÍMETRO DE BOBINA MÓVIL [SO5127-1H]. 1 INDICADOR DE TEMPERATURA [SO5127-1V]. 1 INDICADOR DE RPM [SO5127-1X]. 1 TERMÓMETRO 20 PUENTES. 1 SWITCH. 5 HOJAS DE PAPEL MILIMETRADO (El estudiante debe traerlas). 1 CONTROL PID [SO3536-6B] (o en su lugar 1 SUMADOR [SO3536-6A] y 1 CONTROL PROPORCIONAL [SO3536-5T]). VARIOS CABLES.

2 2 Sistemas de Control Automático. Guía 3 Procedimiento Nota: Lea la guía de laboratorio antes de realizar los procedimientos. Esto le ayudará a clarificar el objetivo perseguido, así como le ahorrará tiempo al ejecutar la práctica, uno de los grupos iniciará con la Parte I y II y el otro grupo con la parte III y IV, luego se intercambian. PARTE I. SISTEMA TÉRMICO A LAZO ABIERTO 1. Revise que los materiales y equipos indicados se encuentren ya colocados en su puesto de trabajo. En caso contrario, informe de ello al docente de laboratorio. 2. Arme e inserte los módulos del sistema térmico en el orden que muestra la Figura 3.1. Figura 3.1. Sistema Térmico de lazo abierto. 3. Reduzca al mínimo las perillas tanto del voltaje de referencia (Set point Value) como las del controlador proporcional P (si está ocupando un controlador PID, debe dejar solamente la operación P, para ello los interruptores de la parte superior (AB(D) y AB(I)) deben estar hacia arriba), no olvide el puente que conecta los 10VDC con la referencia de voltaje (puente #1) ni el SWITCH Abra tanto el SWITCH 1 como el interruptor que cortocircuita la resistencia en el sistema de control de temperatura (abierto es hacia arriba) 5. Conecte la entrada Y+ y Y- del plotter a la salida del transductor temperatura/voltaje y a tierra respectivamente. 6. Realice los siguientes ajustes en el plotter:

3 Sistemas de Control Automático. Guía 3 3 Selector de escala de tiempo: 1s/cm Selector de operación: PEN Selector de repeticiones: 1X Selector de escala en Y: 1V/cm Selector de calibración en Y: CAL 7. Encienda el plotter y trace la referencia de temperatura equivalente a 0 grados (el sistema de temperatura debe estar apagado). 8. Encienda la fuente de alimentación y trace la gráfica de referencia de temperatura ambiente. 9. Conecte el voltímetro (escala de 10V) a la salida del módulo amplificador de potencia y ajuste este voltaje hasta obtener 8.0 VDC, para ello primero coloque la perilla del voltaje de referencia (SET POINT) al 100%, luego se debe ajustar KP para obtener el voltaje deseado, para ello colóquelo en escala x1 y luego aumente lentamente la perilla KP hasta llegar a 8.0 VDC (80 ºC según el transductor). 10. Aumente el selector de escala de tiempo del plotter a 5S/cm debe trazar una gráfica para estas condiciones, recuerde esperar que la pluma recorra dos o tres centímetros en la hoja de papel milimetrado y cierre el SWITCH Cuando regrese el brazo graficador coloque de nuevo en START el selector para que se continúe con la graficación anterior ya que el sistema tarda en estabilizarse, cuando vea que el valor de temperatura permanece constante (en aproximadamente 3 o 4 cm de iniciada la graficación), simule una perturbación en la placa metálica del módulo de control de temperatura, cerrando el interruptor que cortocircuita la resistencia en el sistema de control de temperatura. 12. Observe el voltaje a la salida del módulo amplificador de potencia Cómo se comporta el sistema ante una perturbación externa? 13. Mida la temperatura ambiente con el termómetro y anótela. Si esa es la temperatura ambiente verdadera Cual es la temperatura real que muestra el indicador al estabilizarse la temperatura? indique la escala de temperatura y tiempo en la hoja milimetrada. (Tome en cuenta el selector de tiempo y la linealidad existentes entre las variables del sensor). 14. Abra el interruptor que cortocircuita la resistencia y el SWITCH 1 y espere una vez más que se estabilice la temperatura después de aplicada la perturbación, luego aumente en 10% el valor de Kp con respecto a valor actual (es decir que el medidor muestre aproximadamente 8.8 VDC), y trace sus correspondiente gráfica. Haga lo mismo pero ahora disminuyendo Kp en un 10% (7.2VDC) y trace la gráfica. Cómo se comporta el sistema ante una perturbación interna?, comente sus resultados. 15. Calcule el porcentaje de regulación para ambos casos con perturbación interna y externa, tomando en cuenta la máxima desviación de temperatura, y la temperatura de estabilización. % R= T SS T DES T SS x100 Ecuación 3.1

4 4 Sistemas de Control Automático. Guía 3 %R: Porcentaje de regulación. T SS : Temperatura en estado estable. T DES : Desviación máxima de temperatura. PARTE II. SISTEMA TÉRMICO A LAZO CERRADO 16. Reduzca las perillas del voltaje de referencia y del controlador P o PID al mínimo y abra tanto el SWITCH 1 que colocó en el sistema térmico como el interruptor que cortocircuita la resistencia del sistema térmico. 17. Espere a que el sistema se enfríe a temperatura ambiente, ahora se procederá a cerrar el lazo de realimentación, para ello debe desconectar de tierra la entrada negativa del sumador y conectarla a la salida del transductor temperatura/voltaje. 18. Repita los pasos del 6 al 13 de la parte I. Observe el voltaje de salida del módulo amplificador de potencia en presencia de la perturbación. Qué puede concluir? 19. Repita el paso 14 y calcule los porcentajes de regulación para las tres perturbaciones como en el paso 15 de la parte I. Comente sus resultados. 20. Reduzca todas las perillas del voltaje de referencia y del controlador P o PID al mínimo y apague la alimentación en todos los equipos y módulos utilizados. 21. Retire la pluma del plotter, desconecte los cables y puentes de los módulos y guárdelos en su lugar. PARTE III. SISTEMA ELÉCTRICO A LAZO ABIERTO. 22. Revise que los materiales y equipos indicados se encuentren ya colocados en su puesto de trabajo. En caso contrario, informe de ello al docente de laboratorio. 23. Arme e inserte los módulos del sistema eléctrico en el orden que muestra la Figura 3.2.

5 Sistemas de Control Automático. Guía 3 5 Figura 3.2. Sistema Eléctrico en lazo abierto. 24. Reduzca al mínimo las perillas tanto del voltaje de referencia (SET POINT) como las del controlador proporcional (si está ocupando un controlador PID, debe dejar solamente la operación P, para ello los interruptores de la parte superior (AB(D) y AB(I)) deben estar hacia arriba) no olvide el puente que conecta los 10VDC con la referencia de voltaje (puente #1) ni el SWITCH # Abra tanto el SWITCH # 1 que se colocó entre el voltaje de referencia y el controlador PID como el interruptor ubicado en la esquina superior derecha del módulo motor-generador (colóquelo en 0). 26. Conecte la entrada Y+ y Y- del plotter a la salida del transductor velocidad/voltaje y a tierra respectivamente. 27. Coloque una hoja de papel milimetrado y realice los siguientes ajustes: Selector de escala de tiempo: 0.5 S/cm Selector de operación: PEN Selector de repeticiones: 1X Selector de escala en Y: 1 V/cm Selector de calibración: CAL 28. Encienda la fuente de alimentación y el plotter y trace la gráfica de referencia que equivale a 0 RPM. 29. Cierre el SWITCH 1 y conecte el voltímetro (escala de 10V) a la salida del transductor de velocidad/voltaje y a tierra, se debe ajustar este voltaje hasta obtener 4VDC (4000 RPM), para ello primero coloque la perilla del voltaje de referencia al 70%, luego se debe ajustar KP para obtener el voltaje deseado, para ello colóquelo en escala x1 y luego aumente lentamente la perilla KP hasta llegar a 4.0 VDC 30. Abra el SWITCH 1 y trace una gráfica, recuerde esperar que la pluma recorra dos o tres centímetros en la hoja de papel milimetrado y cierre el SWITCH 1.

6 6 Sistemas de Control Automático. Guía A continuación se simulará una perturbación para ello trace otra gráfica y cuando el valor de velocidad sea estable (aproximadamente en dos o tres centímetros de iniciada la graficación) conecte el generador al motor por medio del interruptor ubicado en la esquina superior derecha del módulo. Explique el comportamiento de la gráfica. 32. Calcule el porcentaje de regulación bajo estas condiciones, con la velocidad de desviación máxima. %R: Porcentaje de regulación. ω SS : Velocidad angular en estado estable. ω DES : Desviación máxima de velocidad angular. % R= SS DES SS x100 Ecuación 3.2 PARTE IV. SISTEMA ELÉCTRICO EN LAZO CERRADO. 33. Reduzca las perillas del voltaje de referencia y del controlador P o PID al mínimo, ahora se procederá a cerrar el lazo de realimentación, para ello debe desconectar de tierra la entrada negativa del sumador y conectarla a la salida del transductor temperatura/voltaje. 34. Abra tanto el SWITCH # 1 como el interruptor ubicado en la esquina superior derecha del módulo motor-generador (colóquelo en 0). 35. Trace una gráfica de referencia 0 RPM. 36. Repita los pasos 28 al 32 de la parte III, observe cuidadosamente ambas gráficas. Qué puede concluir? 37. Reduzca todas las perillas del voltaje de referencia y del controlador P o PID al mínimo y apague la alimentación en todos los equipos y módulos utilizados. 38. Retire la pluma del plotter, desconecte los cables y puentes de los módulos y guárdelos en su lugar. Análisis de Resultados 1. En los circuitos de la Figura 3.1 y 3.2 distinga la planta, el actuador y el transductor. 2. Qué función desempeña el transductor en los sistemas vistos en la práctica? 3. Qué diferencias existen entre el control de lazo abierto y el control de lazo cerrado? 4. Explique cómo el control de lazo cerrado corrige el error. 5. En qué casos sería conveniente un control de lazo abierto en lugar de uno en lazo cerrado? Ilustre con un ejemplo. 6. Presente las respuestas a las preguntas del procedimiento de la guía.

7 Sistemas de Control Automático. Guía 3 7 Investigación Complementaria 1. Investigue sobre los efectos que la realimentación tiene sobre la estabilidad, ancho de banda, ganancia global, perturbaciones y sensibilidad del sistema. Bibliografía INGENIERÍA DE CONTROL MODERNA. Tercera Edición. Prentice Hall. Katsuhiko Ogata, Biblioteca UDB, Clasificación: Libro interno O SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO. Séptima Edición. Prentice Hall. Benjamín Kuo, Biblioteca UDB, Clasificación: K SISTEMAS DE CONTROL LINEAL. Primera Edición en Español. McGraw Hill. Charles Rohrs, Biblioteca UDB, Clasificación: Libro R

8 8 Sistemas de Control Automático. Guía 3 Hoja de cotejo: 3 Guía 3: Sistemas de lazo Abierto y lazo cerrado Alumno: Puesto No: Docente: GL: Fecha: CONOCIMIENTO 25 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos teóricos: -Elementos que componen un sistema de control. -Funcionamiento de los sistemas a lazo abierto. -Funcionamiento de los sistemas a lazo cerrado. APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO EVALUACION % Nota 70 Cumple con uno o ninguno de los siguientes criterios: -Obtiene la gráfica de un sistema a lazo abierto y sabe como interpretarla. -Obtiene la gráfica de un sistema a lazo cerrado y sabe como interpretarla. -Calcula el porcentaje de regulación a partir de las gráficas. ACTITUD 2.5 Es un observador pasivo. TOTAL 2.5 Es ordenado pero no hace un uso adecuado de los recursos. Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos. Cumple con dos de los 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. Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos. Cumple con los tres criterios. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.