PROYECTO. MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE

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1 PROYECTO. MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE POSICIÓN DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA INITE, S.C., no es responsable del contenido, de la veracidad de los datos, opiniones y acontecimientos vertidos en el presente proyecto. La finalidad del presente es el desarrollo de competencias y es un material para discusión con efectos didácticos. Instituto de Investigación de Tecnología Educativa

2 Proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua Metodología de aprendizaje basado en proyectos Qué es un proyecto? Un proyecto es un conjunto de acciones planificadas que ayudan a resolver problemas, necesidades o inquietudes. Un proyecto está constituido por fases y productos. Fases de un proyecto Una fase es un conjunto de actividades relacionadas, con un objetivo, en el desarrollo del proyecto. Se construye agrupando tareas (actividades elementales) que pueden compartir etapas determinadas del tiempo de vida de un proyecto. La agrupación temporal de tareas impone requisitos correspondientes a la asignación de recursos (humanos, financieros o materiales). Cuanto más grande y complejo sea un proyecto, mayor detalle se necesitará en la definición de las fases para que el contenido de cada una siga siendo manejable. De esta forma, cada fase de un proyecto puede considerarse un micro-proyecto en sí mismo, compuesto por un conjunto de micro-fases. Entregable(s) o Producto(s) Son los productos intermedios que generan las fases. Pueden ser materiales palpables (componentes, equipos) o impalpables (documentos, software). Los entregables permiten evaluar la marcha del proyecto mediante comprobaciones de su adecuación o no a los requisitos funcionales, y de las condiciones de realización previamente establecidos. Cada una de estas evaluaciones puede servir, además, para la toma de decisiones a lo largo del desarrollo del proyecto. Para la construcción del proyecto se consideraron las siguientes fases generales, éstas pueden variar de acuerdo al área de conocimiento, alcance de los objetivos de la asignatura, recursos disponibles, etcétera. Descripción de las fases Proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua 2

3 Planeación Es la descripción detallada del trabajo a realizar; es decir, el plan de actividades, la construcción del procedimiento metodológico y el establecimiento de los instrumentos y medios de trabajo. Se considerarán subfases, según las características del proyecto, de acuerdo con los siguientes niveles: Primer nivel: diagnóstico, justificación o plan de trabajo. Segundo nivel: diseño, propuesta o prototipo. Implementación Comprende el desarrollo y la realización de las actividades planeadas en la fase anterior. Se considerarán subfases, según las características del proyecto: construcción, desarrollo o elaboración. Evaluación o mantenimiento En esta fase se implementan acciones para hacer mejoras al proceso de elaboración y funcionamiento del producto. Se consideran subfases que serán relativas, según las características del proyecto: retroalimentación, control o seguimiento. Proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua 3

4 Planeación: Nombre del proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua. Planteamiento: Se plantea el desarrollo de un sistema de control de posición de un motor de corriente continua. Debido que en la actualidad es de gran utilidad contar con herramientas de modelado y simulación por computadora, se propone realizar este proyecto por medio de simulación. Esta metodología nos permitirá acelerar el diseño, al facilitar el ajuste de los parámetros intrínsecos de los elementos eléctricos, electrónicos y mecánicos que intervienen en este proyecto. Requerimientos: Los sistemas de control de posición tienen una amplia gama de aplicaciones desde lectores láser de discos compactos hasta discos duros de computadora, sin dejar de mencionar a los robots. Tales sistemas se caracterizan por su grado de exactitud, por ejemplo en los lectores de discos compactos se requiere de un gran control para posicionar el lector láser en alguna pista del disco. Por otra parte, en un disco duro se cuenta con un elemento de lectura y escritura llamado cabezal, el cual requiere también de un alto grado de precisión en su posición con respecto a los platos y cilindros del disco para poder realizar operaciones de lectura y escritura. Esto nos lleva a desarrollar técnicas de diseño que mejoren su desempeño y permitan diagnosticar fallas de diseño para su reingeniería, como lo es el modelado y simulación por computadora. Implementación: a) Especificación del proyecto El sistema de control que se va a diseñar tiene tres componentes: 1. Electromecánico. 2. Electrónico. 3. De control. Se requiere de una PC con el programa computacional NI Multisim, éste último puede ser descargado del portafolios digital ubicado en la página Se recomienda formar equipos de dos integrantes máximo. Proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua 4

5 b) Etapas del proyecto El proyecto consta de cuatro etapas que serán realizadas en el simulador NI Multisim, las primeras tres corresponden a la construcción de cada uno de los componentes del sistema de control y la etapa de cierre, que comprende la integración de los componentes diseñados. c) Productos y fechas de entrega para cada etapa del proyecto Etapa 1. Componente electromecánico: Se modela en computadora un motor de corriente continua, cuya principal guía será su modelo matemático. Para esta etapa se tendrán que analizar las unidades 1 y 2, como primer momento. El alumno deberá entregar el plan de trabajo para el desarrollo del proyecto y después de ello iniciará la etapa dos, para después regresar a la etapa uno en la cual se pueda realizar, en un segundo momento, el análisis de las unidades 4 y 5, que son las que incluyen al elemento electromecánico (motor de corriente directa). Como evidencia se entregará un reporte con los lineamientos ya establecidos por el profesor durante la semana 9. Etapa 2. Componentes electrónicos: Mediante el simulador se diseñan y arman los circuitos necesarios para la operación del motor, por ejemplo: un puente H, para el cambio de dirección del giro del motor; un modulador de ancho de pulso (PWM), para regular la energía entregada al motor, y un sensor para registrar la posición angular del motor. Se realizan dos prácticas relacionadas con el puente H, el PWM y el sensor de movimiento angular óptico de incrementos para motores; con ello se reforzarán los conocimientos adquiridos. Los elementos anteriores engloban los logros de la unidad 3, reflejados en la entrega de un reporte durante la semana 5. Etapa 3. Componentes de control: El control será llevado a cabo mediante un controlador PID, debido a su versatilidad, fácil implementación y características operativas para controlar una amplia gama de procesos. Este controlador será implementado con amplificadores operacionales. En esta etapa se arma el controlador con las ganancias de sus parámetros, especificadas de antemano. Se realiza una práctica para diseñar un controlador PID, que abarca los temas de la unidad 5. Los resultados de esta etapa se reportan durante la semana 11. Etapa 4. Etapa de cierre: Empleando el simulador (unidad 7), se integran los bloques de los componentes modelados anteriormente. Esta integración se realiza identificando la función que cada componente ocupa dentro de un sistema de control. Para consolidar todos los conocimientos adquiridos se entrega un reporte durante la semana 12. Proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua 5

6 Evaluación o mantenimiento: Entrega del proyecto y exposición del mismo: La entrega del proyecto incluye: el funcionamiento correcto de los componentes individuales del sistema de control y el funcionamiento adecuado de la integración de los componentes individuales mencionados. La entrega del informe debe concordar con las rúbricas establecidas y se expone el proyecto en sesión plenaria durante la semana 13. Evaluación del diseño: El funcionamiento de un sistema de control de posición de un motor de corriente continua se considera correcto si se logra alcanzar el objetivo de regular la posición del motor con base en la posición de referencia. El modelo matemático nos ayuda a diagnosticar si los parámetros con los que fueron diseñados son los adecuados. Este rubro compara el desempeño del modelo de computadora contra el objetivo de regulación y diagnostica posibles procesos de reingeniería en el diseño o ajustes en los parámetros del sistema. La evaluación consistirá en la revisión de los modelos en computadora de las etapas planificadas anteriormente La revisión de los modelos se realiza como si se tratara de un plano arquitectónico, puesto que el modelado realizado es físico, es decir, la computadora y el software dedicado aproximan el comportamiento cuantitativo de los circuitos como si en verdad se hubiesen construido. La valoración del sistema diseñado está dada por la verificación del desempeño cuantitativo y cualitativo de los circuitos caracterizados en cada etapa del proyecto mediante la simulación numérica del modelo. Retroalimentación: Identificación de contingencias: Las contingencias están caracterizadas como las dificultades que, en cada etapa del proyecto, puedan existir en el empleo del software de simulación para elaborar los modelos físicos computacionales de los circuitos. Definición de las adecuaciones: Las adecuaciones se realizarán en función de las dificultades encontradas en la implementación en computadora de los modelos, y son las siguientes: 1. Documentarse sobre el correcto funcionamiento del simulador. 2. Revisar los modelos propuestos en las etapas, mediante una investigación bibliográfica. Proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua 6

7 3. Implementar en la simulación, la sustitución del PWM por un circuito amplificador AB (par complementario) para observar si existen variaciones en el sistema y, si las hay, cuáles serían las repercusiones. Proyecto: Modelado y simulación de un sistema de posición de un motor de corriente continua 7