CONTROL DE POSICIÓN Y PRESIÓN PARA MANIPULADOR NEUMÁTICO A TRAVÉS DE PC

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1 CONTROL DE POSICIÓN Y PRESIÓN PARA MANIPULADOR NEUMÁTICO A TRAVÉS DE PC RESUMEN El trabajo se basa en la obtención de un sistema de osicionamiento servoneumático, con control de resión del disositivo de trabajo en la osición de oeración, todo esto, gobernado or comutador (PC. Para controlar osición y resión se han diseñado controladores PID discretos. Se utiliza una tarjeta de adquisición de datos Lab PC-00 de National Instruments, y el software LabVIEW, ara imlementar rogramas que sirven ara la adquisición de datos a través de los diferentes sensores y que son llevados al PC ara su rocesamiento. Con este sistema se ueden fijar osiciones intermedias a lo largo de un eje de forma muy recisa. La automatización de rocesos como: remachado, erforado, estamado, ueden ser erfectamente desarrollados con este sistema rouesto. PALABRAS CLAVES: Posicionamiento servoneumático, control PID discreto ABSTRACT The work retend to obtain a servoneumatic osition system, with ressure control of the work device in the oeration osition, all this, governed by comuter (PC. In order to control osition and ressure, PID discrete controllers have been designed. A card of data acquisition Lab PC-00 of National Instruments, and the software LabVIEW is used, to imlement rograms for data acquisition through the different sensors and carried out to the PC for its rocessing. With this system is ossible fix intermediate ositions along an axis in a very recise way. The automation of rocesses like: riveted, erforated, rinting, can be erfectly develoed with this roosed system. JUAN CARLOS BURBANO JARAMILLO Profesor Asistente, M.Sc., I.M. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira jburbano@ut.edu.co GERMÁN A. BACCA BASTIDAS M.Sc., I.M. Profesor Ingeniería Física Universidad del Cauca gbacca@unicauca.edu.co MARIO HOYOS MESA Profesor Titular, M.Sc., I.M. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira marhoyos@ut.edu.co KEYWORDS: Servoneumatic osition, PID discrete control.. INTRODUCCIÓN Los sistemas neumáticos se utilizan mucho en la automatización de maquinaria de roducción y en el camo de los controladores neumáticos. Procesos como: remachado, erforado, estamado, etc., ueden ser erfectamente automatizados utilizando neumática, siemre y cuando ueda conseguirse un sistema de osicionamiento múltile. Adelantos en tecnología electroneumática han dado or resultado una clase de actuadores roorcionales servo neumáticos controlados electrónicamente y que han sido robados en sistemas de automatización ofreciendo una solución económica. La rincial ventaja de un sistema servoneumático moderno es su economía y simlicidad cuando se comara con otras tecnologías de resentación equivalente. Los comonentes neumáticos no incrementan en recio tan ráido como lo hacen los motores eléctricos. La comañía alemana FESTO, afirma en uno de sus boletines * que los sistemas servoneumáticos ueden cumlir los requisitos de exactitud exigidos or más del 80% de las alicaciones que conllevan un control de osición. La servoneumática es más ventajosa cuando se tienen carreras largas de los vástagos y alta velocidad. La aarición de actuadores lineales sin vástago, controlados mediante válvulas roorcionales de vías, ha amliado las osibilidades de alicaciones en la industria. * Servoneumatic Precision Positioning. FESTO Fecha de Recibo: abril de 003 Fecha de Acetación: 6 de junio de 003

2 SCIENTIA ET TECHNICA N JULIO / 003 / 7 Entre los recursos tecnológicos existentes actualmente en el mercado ara el osicionamiento neumático, cabe mencionar los comonentes y sistemas desarrollados, entre otros, or FESTO. Este Fabricante ofrece los controladores de ejes SPC00 y SPC00 que ueden controlar uno o dos ejes y usando un sub-controlador, el control se uede amliar hasta cuatro ejes. En el maniulador neumático, rouesto en este trabajo, también se odría controlar varios ejes haciendo modificaciones muy sencillas al rograma (software, aunque teniendo en cuenta la caacidad de la tarjeta de adquisición de datos, or el número de salidas análogas. Esto odría ser una limitante ara el número de ejes a controlar. Cabe mencionar, que la tecnología de las válvulas roorcionales no solo se alica a los sistemas de osicionamiento sino también a la regulación de fuerzas a través de las válvulas roorcionales de resión. La comañía FESTO, también ha desarrollado este tio de válvulas, entre las que sobresalen las referenciadas a través de la sigla MPP * con la cual identifican el modelo corresondiente y a través de las cuales se logra un ajuste del nivel de resión roorcional al valor de consigna (señal de tensión analógica de 0 0 V e indeendiente del caudal. El maniulador neumático rouesto en este trabajo, utiliza una válvula roorcional de resión ara controlar la fuerza de un disositivo de trabajo en una osición de oeración. Las afirmaciones y desarrollos antes mencionados ermiten considerar la servoneumática como una tecnología creciente y en continuo desarrollo. Por esta razón, en el deartamento de sistemas dinámicos y control de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira, se consideró el diseño de una Unidad Neumática Lineal (UNL que consistiría de dos actuadores lineales, uno de ellos sin vástago y controlado or una válvula roorcional de vías ara osicionar una herramienta y otro al que se le regularía la fuerza mediante una válvula roorcional de resión con el fin de alicarla a una ieza de trabajo. Por tanto, esta unidad Neumática Lineal (UNL tendría control de fuerza en el disositivo de trabajo o herramienta, en una osición de oeración... UNIDAD NEUMÁTICA LINEAL. El sistema que se roone ara este royecto ha sido llamado Unidad Neumática Lineal (UNL or estar constituido básicamente or actuadores lineales neumáticos entre otros comonentes. Este sistema, tiene la tarea de ejercer una fuerza en un unto determinado a lo largo de un eje, tarea que se gobierna desde un comutador PC. Para cumlir con su objetivo, la Unidad Neumática Lineal (UNL está constituida or los siguientes disositivos: Actuador neumático lineal comacto sin vástago tio DGPL-5-PPVA de FESTO Cilindro de doble efecto tio DSN 5 00 de FESTO Válvula distribuidora roorcional 5/3 vías tio MPYE 5 /8 de FESTO Válvula reguladora de Presión tio MPP 3 /8 de FESTO Sensor de Presión ICSensors modelo 05-00G Sensor de osición tio MLO POT de FESTO Filtro tio LFM /4- S-B de FESTO En el anterior listado no se incluye la arte corresondiente a la adquisición de datos y control de la unidad neumática lineal, que serán descritos mas adelante. Todos los comonentes detallados anteriormente, se acolan ara formar lo que se denominará la Unidad Neumática Lineal (UNL. Una reresentación isométrica de la Unidad Neumática Lineal se resenta a continuación en la figura. Actuador Lineal tio DGPL-5-PPVA Sensor de osición MLO-POT Pieza Figura Reresentación Isométrica de la UNL 3. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Cilindro DSN-5-00 Herramienta Para lograr la comunicación entre la Unidad Neumática Lineal (UNL, descrita en la sección anterior, y el comutador (PC, es indisensable un sistema de adquisición de datos, reresentado rincialmente or una tarjeta de adquisición Lab PC-00 de National Instruments y de un circuito de adecuación de señales con el fin de lograr los rangos de corriente y voltaje adecuados ara que los disositivos de control oeren adecuadamente. * Válvulas roorcionales neumáticas. FESTO AG & Co. Info 59.00

3 SCIENTIA ET TECHNICA N JULIO / 003 / 73 PC Sistema de adquisición de datos Unidad neumática lineal Para minimizar el efecto del ruido se hace un filtrado a la variable controlada. La variable controlada filtrada se calcula de la siguiente manera: Figura Esquema del sistema de adquisición de datos. La tarjeta labpc 00 de National Instruments se utiliza en este royecto ara la interacción de datos entre el comutador y la Unidad Neumática Lineal haciendo las veces de circuito de muestreo y retención, convertidor analógico-digital (A/D y convertidor digital-analógico (D/A y ermite trabajar con un tiemo de muestreo que satisface las condiciones de la teoría de muestreo de Nyquist *. Una imortante ventaja de esta tarjeta es su bajo costo, con una rata de adquisición de datos considerable. Un diagrama funcional que ilustra la forma como las variables son rocesadas a través del sistema de adquisición de datos, así como los diferentes disositivos que lo comonen, se resenta en la figura 3. Presión P bar Deslazamiento x mm Actuador lineal x Sensor de resión sensor rimario Sensor de osición sensor rimario Q=f(V l/min convertidor de variable convertidor de variable Válvula roorcional de vias I=4-0 mma V3=0-0 Vcc Filtro RC Pasa Baja V=0-0 Vcc Filtro RC Pasa Baja Buffer V4f=.3-0 Vcc V3f=0-0 Vcc V=0-0 Vcc I/O Connector Tarjeta adquisicion de datos PC I/O Channel PC C f = 0.5C 0.5C( k 0.75C( k 0.075C( k 3 El modelo ráctico del controlador PID es: dc ( R C + ( R C dt Td = t f m( t K β (4 T 0 i dt T i es el tiemo de integración en minutos (también llamado reset time, y T d es el tiemo derivativo en minutos (también llamado rate. * La salida del controlador en tiemo discreto, es la suma de las acciones roorcional, integral y derivativa * : m( k = m ( k + m ( k m ( k P I + donde: m ( k K e ( k = [ ] b K K e(i + e(i mi ( k = t T i i= 0e(i + Rrng R rng es el rango de la variable de referencia Td md ( k = K [ C f ( k C f ( k ] t D (3 Actuador lineal z P=f(V bar Válvula roorcional de resión V=0-0 Vcc Buffer V=0-0 Vcc Figura 3 Diagrama Funcional del Sistema de Adquisición de Datos 4. IMPLEMENTACIÓN DE LOS CONTROLADORES La imlementación de los controladores que gobernarán la osición y la resión de trabajo de la Unidad Neumática Lineal (UNL, está basada en el diseño de controladores PID. En el controlador PID (tanto ara resión como ara osición, la variable de referencia R o setoint se comara con la variable controlada C ara obtener el error e = R C ( De tal manera que la acción correctora queda dada or: k T e( h + e( h eb( kt + = T h Ti 0e ( kt m( kt = k + Rrng Td C f ( kt C f ( k T [ ] (5 Tomando transformada Z y adecuando la anterior ecuación, se tiene que: * Ogata, Katsuhiko. Sistemas de Control en Tiemo Discreto. Segunda Edición. Prentice-Hall * PID Control Toolkit for G. Reference Manual. Bridge VIEW and LabVIEW. National Instruments Cororation. 998.

4 SCIENTIA ET TECHNICA N JULIO / 003 / 74 M( z = M o + k Eb( T d T z T + z + T ( z Organizando la ecuación (6, se tiene: M( z = M o k Eb( + kd T z i 0 E( z + Rrng [ ] z C + z + kit ( z f E( z E( z 0 E( z + Rrng (6 [ ] z Cf (7 controladores descritos anteriormente, se imlementa un rograma final de control ara la Unidad Neumática Lineal (UNL. Este rograma se encarga de integrar los controladores de osición y de resión (PID ara lograr una tarea esecífica en la Unidad Neumática Lineal. El anel frontal del rograma final de control se muestra en la figura 4. Este rograma se encarga de administrar las subrutinas de adquisición de datos y de control tales como el rograma ara el control PID de resión y los rogramas ara el control de osición, los cuales están constituidos como subinstrumentos virtuales (subvi. Hay que anotar que, ara la imlementación del controlador de resión no se necesita hacer ningún tio de ajuste a la salida, ya que la señal correctora se encuentra en el rango de funcionamiento de la señal de voltaje de la válvula reguladora de resión. Para la imlementación del controlador de osición es necesario tener en cuenta el funcionamiento de la válvula distribuidora roorcional que oera con voltajes que varían entre 0 y 0 V, ero teniendo en cuenta que ara voltajes entre 0 y 5V la válvula ermite el aso de aire or uno de sus órticos, ero entre 5 y 0 V el aso de aire se hace or el otro órtico de trabajo. Para un valor de 5 V la válvula se cierra no ermitiendo el aso de aire or ninguno de sus órticos. Figura 4 Panel frontal en LabVIEW del rograma de control. 6. RESULTADOS La figura 5 muestra la Unidad Neumática Lineal, resultado de este trabajo. Teniendo en cuenta lo anterior, se define a m( k como: m( k = m( k m( k (8 Como la válvula distribuidora osee un voltaje V o, según su curva de comortamiento, ara el cual se cierra, entonces la señal correctora ara el controlador de osición quedaría definida or: V o m ( k m( k = (9 Los controladores se imlementan mediante rogramación en LabVIEW. 5. IMPLEMENTACIÓN DEL PROGRAMA FINAL DE CONTROL Con el fin de estudiar el comortamiento de cada uno de los Figura 5 Unidad Neumática Lineal Las ruebas realizadas se basan en análisis de resuesta transitoria y obtención de arámetros ara cada una de

5 SCIENTIA ET TECHNICA N JULIO / 003 / 75 las variables controladas de acuerdo a los criterios exresados en la Teoría de Señales y Control. Controlador PID ara Presión Teniendo en cuenta los arámetros del controlador PID determinados mediante el método de Ziegler-Nichols, y frente a una entrada escalón, el sistema se comorta como lo muestra la figura 6. Teniendo en cuenta los arámetros del controlador PID determinados mediante el método de Ziegler-Nichols, y frente a una entrada escalón, el sistema se comorta como lo muestra la figura Posicion [mm] Presion [bar] Tiem o [s] Figura 8 Comortamiento del sistema con arámetros de Ziegler-Nichols Tiemo [s] Figura 6 Comortamiento del sistema con arámetros de Ziegler-Nichols Las características de resuesta transitoria se obtienen a artir de la figura 6 y ara ello se utiliza el Toolbox de Control de Matlab, tomando en cuenta como esecificaciones de resuesta transitoria el tiemo de asentamiento ts con una tolerancia de % y el error de estado estable Ess. Los arámetros calculados son: Las características de resuesta transitoria obtenidas a artir de la figura 8 son: M = t = [s] ts = 0.703[s] td = [s] Ess = 0.00 [mm] Así mismo, ara varias entradas escalón, el comortamiento del sistema se resenta en la figura ts =.9 [s] Ess = 0.04 [bar] La figura 7 muestra el comortamiento del sistema frente a varias entradas escalón de resión con los arámetros de Ziegler-Nichols. Posición [mm] Tiemo [s] Figura 9 Resuesta ara varias entradas escalón Presion [bar].5 Características Estáticas de los controladores Tiem o [s] Figura 7 Comortamiento ara varias entradas escalón Controlador PID ara Posición Con base en la teoría del error, se uede cuantificar la exactitud del sistema en cuanto a las dos variables controladas, es decir, osición y resión. Para ello se recurre al método de la reetibilidad que consiste en tomar varias medidas ara un mismo valor de referencia y osteriormente realizar el análisis estadístico del caso. Para los controladores de osición, la rueba se realizó tomando dos osiciones de referencia, llevando la

6 SCIENTIA ET TECHNICA N JULIO / 003 / 76 herramienta de la Unidad Neumática Lineal a estas dos osiciones y reitiendo el exerimento al menos 5 veces ara efectos del análisis estadístico. Para el controlador de resión el rocedimiento se basó en medir la desviación que resenta el indicador de la resión controlada con resecto al valor de resión deseado. Esto debido a que en el controlador de resión la variable controlada no se estabiliza en un valor constante, si no que queda oscilando alrededor de un valor de tolerancia. Por tanto, el orcentaje error ara la osición deseada de 00 mm es de.8% Para la osición deseada de 300 mm, el error absoluto es de.3 mm y el orcentaje de error es de 0.4% El romedio de error absoluto con base a una carrera del actuador de 00 mm es de.5 mm, con un romedio de orcentaje de error de.%. Para este controlador sintonizado mediante la regla de Ziegler-Nichols, se rocedió de la siguiente manera: se incrementó la resión deseada desde un valor de.0 bar hasta 4.0 bar, resentando una desviación que oscila entre 3.96 y 4.0 bar, obteniendo un error absoluto de 0.04 bar, lo que reresenta un comortamiento ótimo del controlador teniendo en cuenta la comresibilidad del fluido de trabajo. La resión deseada se llevó osteriormente de 4.0 bar hasta.0 bar, se observó que la desviación oscila entre 0.95 y.04 bar, obteniéndose un error absoluto de 0.05 bar. 7. CONCLUSIONES Se ha diseñado una Unidad Neumática Lineal con comonentes de FESTO, la cual tiene un control de osición a lo largo de un eje y control de resión en el disositivo de trabajo. La Unidad Neumática Lineal (UNL se basó en una unidad de control de señales o mando y una unidad de trabajo. La unidad de control de señales está reresentada or el controlador del eje, que en este caso se efectuó a través de PC. Para gobernar la Unidad Neumática Lineal (UNL desde el PC se utilizó una tarjeta de adquisición de datos tio LabPC-00 de National Instruments y demás disositivos de adecuación de señales. Se logró realizar un sistema de osicionamiento neumático a un relativo bajo costo sin necesidad de recurrir a controladores de ejes comerciales o a Autómatas Programables. Con la Unidad Neumática Lineal diseñada se odría amliar el numero de ejes, modificando únicamente el software. Los controladores fueron diseñados a artir de su función de transferencia en tiemo discreto, la cual se obtuvo alicando la teoría de filtros digitales, ara osteriormente ser codificados en cualquier lenguaje de rogramación (.ej. Turbo Pascal, lenguaje C, ensamblador, etc., en este caso se realizó labview or la comodidad en la interfaz con el usuario que ofrece dicho rograma. Nuevas formas de control se odrían imlementar en esta Unidad Neumática Lineal en aras de mejorar su comortamiento en cuanto a su recisión y resuesta transitoria y de estado estable. 8. BIBLIOGRAFÍA [] Servoneumatic Precision Positioning. FESTO.00. [] Válvulas roorcionales neumáticas. FESTO AG & Co. Info [3] OGATA, Katsuhiko. Sistemas de Control en Tiemo Discreto. Segunda Edición. Prentice-Hall [4] PID Control Toolkit for G. Reference Manual. Bridge VIEW and LabVIEW. National Instruments Cororation [5] Neumática en Bucle Cerrado. Festo Didactic [6] LabVIEW Advanced Course Manual [7] Automatizar con Neumática. Catálogo básico. Festo KG [8] B.W. SURGENOR and N. Brook, "On the Tuning of an Industrial Motion Controller for a Pneumatic Positioning System". Proc 3rd Int. Conf. Industrial Automation, , 999 Según lo lanteado en los objetivos del trabajo, los cuales se centraban en el diseño de controladores PID de osición y de resión, estos fueron diseñados e imlementados y acorde con las ruebas y exerimentación, tales controladores se comortan con gran fidelidad de acuerdo a los resultados y análisis resentados.