Examen Ordinario de Automatización Industrial

Transcripción

1 Examen Ordinario de Automatización Industrial 23 de mayo de 2013 Duración: 1 hora y 15 minutos - Se piden respuestas claras, breves y concisas. No son aceptables divagaciones y ambigüedades. - Consulta la información de las hojas del ANEXO para completar tus respuestas. - Todas las respuestas deben estar justificadas. Caso práctico (3 puntos). Sea el motor+reductora+encoder utilizado para la realización del proyecto de la asignatura. Pueden consultarse las hojas de características en el anexo. Se desea realizar el control de la planta mediante un sistema computerizado. Para ello, se utilizará un controlador PID implementado digitalmente. El hardware disponible es un PC (Pentium III), una tarjeta de adquisición de datos (National Instruments PCI 6221-E) y el sistema operativo necesario. 1) a) (0.25 puntos) Representa el esquema correspondiente al sistema completo). b) (0.5 puntos) En cada bloque o identificador, indica y describe claramente las señales de entrada y salida y sus características. Debes indicar los valores concretos para este sistema detallando el tipo de señal, valores máximos y mínimos... Sea Tm el periodo de muestro. Señales: Referencia: rpm: Es la velocidad a la que se desea gire el motor. El usuario podrá introducir un máximo (150 rpm) y con el signo indicará el sentido de giro. Por lo tanto el margen será de -150 a 150, es decir la velocidad máxima que puede alcanzar el motor.. rpm: es la señal del encoder convertida a rpm. El rango de la rpm estará entre -150 y 150 (Vmax). La señal del encoder tiene dos líneas A y B a partir de las cuales se obtienen las rpms teniendo en cuenta el periodo de muestreo Tm. Estas señales son cuadradas, con duty cicle 50%, de amplitud 5V y desfasada (en cuadratura) una respecto de la otra para indicar el sentido de giro, dependiendo de cuál vaya adelantada. Error: es la diferencia entre la velocidad deseada y la real del motor. Dependiendo de este valor el controlador actuará de una manera u otra. Este valor estará entre -1, 1, para lo cual previamente se habrán normalizado sus operandos. DC+DIR: es la salida del controlador. En nuestro caso como el driver es un puente H deberá contener el valor del DC (0-1) y la dirección que será un 1 o un 0. El DC deberá convertirse en una señal PWM. DIR: es una señal que permite cambiar la polarización de la alimentación al motor, así se consigue que el motor gire en uno u otro sentido. Es una señal generada por la salida digital 0-5V y cada estado lo polariza de una manera

2 2) Tal y como se ha presentado, se desea implementar el control del motor utilizando un sistema computerizado. a) (0.2 puntos) Basándote en el diagrama del apartado anterior indica qué partes de dicho diagrama se implementan en el sistema computerizado. b) (0.4 puntos) Puesto que la adquisición y generación de datos se realizó a través de la PCI 6221 (hoja de características anexada), expón qué recursos de dicho dispositivo se utilizaran. Justifica la elección. PCI 6221: Para la generación de la PWM se utiliza la salida de un contador, para la generación de la DIR una salida digital y para la adquisición de la señal del encoder el otro contador, con sus entradas A y B. c) (0.4 puntos) Es necesaria la utilización de alguna etapa de acondicionamiento de señales? Explica el porqué, su funcionalidad y describe la etapa. Es necesaria una etapa de acondicionamiento entre la DAQ y el motor. Será necesaria porque el motor consume 500mA y la salida del contador no proporciona esa corriente. Así mismo, no genera una PWM con amplitud de 6V que es lo que necesita el motor. Por lo tanto, es necesario aumentar la potencia de la PWM generada por el contador cuya salida es TTL.( 5V y poca corriente) El motor se alimentará a partir de PWM por lo tanto la señal PWM_acond será una señal cuadrada de amplitud 6V. La variación del DC de esta señal proporcionará los diferentes voltajes al motor. Esta señal no se puede obtener directamente de la DAQ por las razones mencionadas. Por ello, se podrá generar una señal cuadrada de 5 V con DC variable y mediante el sistema de acondicionamiento, se obtendrá la señal de 6V con corriente suficiente, ya que el sistema de acondicionamiento se alimentará con una fuente de alimentación que pueda proporcionar esa corriente. El DC de la señal amplificada es idéntico al de la señal generada por la DAQ. El sistema de acondicionamiento utilizado es un puente-h. La frecuencia de estas dos señales es la misma y deberá ser mayor que el ancho de banda del sistema al menos dos ciclos por periodo de muestreo. La descripción del puente-h puede consultarse en el material de la asignatura (moodle). 3) (0.5 puntos) Es momento de realizar las conexiones hardware. Realiza un esquema donde aparezcan detalladas las conexiones a la DAQ, es decir, qué pin del bornero irá conectado a qué. El hardware a utilizar para generar y adquirir las señales es una DAQ PCI DIR: salida digital 52 PWM: : salida contadora.2 Señal Encoder_A:42 Señal_Encoder_B:41 4) Respecto al controlador PID a utilizar, a) (0.35 puntos) describe sus entradas y salidas, así como el rango de las mismas. La señal que genera el controlador, será una señal saturada entre ±1, es decir, el controlador podrá dar valores superiores pero como esa señal representa el Cuty Cicle habrá que limitarla a 1. Esta señal, habrá que interpretar y adecuarla a la señal que tenga que recibir el bloque acondicionamiento señal motor. Su entrada estará entre ±2, ya que los valores máximos de las señales con las que se mide le error son ±1, ya que están normalizadas. b) (0.35 puntos) Cómo se mide la variable del proceso? Describe el algoritmo utilizado para su obtención. La variable del proceso se mide a partir de la información de la señal de encoder y la codificación con la que se vayan a leer los pulsos del encoder. Consultar material (moodle) de la asignatura sobre el Encoder

3 Problema de programación (3 puntos). Supongamos que realizamos la identificación del sistema a controlar. Para ello, se utiliza el siguiente esquema con T=0.1 s

4 1) a) (0.35 puntos) Si por cada periodo de muestreo queremos que la señal PWM genere tres ciclos, determina el valor del bloque Frecuencia_PWM. Justifica tu valor. TPWM=Ts/3, ; FPWM = 3*Fs; FPWM = 1/0.1 * 3=30 Hz b) (0.4 puntos) y explica cómo se genera esa PWM. La DAQ dispone de un oscilador a 80MHz, es decir genera 80M pulsos por segundo. El número de pulsos que componen un ciclo de la señal PWM depende de la frecuencia de la PWM. En este caso, si la frecuencia es 30Hz, son 30 ciclos por segundo, por lo tanto un ciclo estará compuesto por 80M/30 pulsos. Con cada pulso se puede generar un estado alto o bajo. Así, si a partir del valor del DC podemos determinar cuántos de esos pulsos queremos que generen un estado alto y cuántos uno bajo. Una vez definida la cantidad de pulsos en cada estado, el contador irá contando los pulsos y poniendo H en su salida hasta que alcance el número determinado anteriormente. A continuación contará los pulsos para generar los L. 2) Teniendo en cuenta la configuración de los contadores de la DAQ y suponiendo que el encoder acoplado al motor a identificar (no es el motor utilizado en las practicas) genera 10 pulsos por revolución (PPR) y dispone de una reductora de 1:16, determina las operaciones a realizar en los bloques. También sabemos que la velocidad máxima que puede alcanzar el motor es 250 RPM. Justifica las respuestas a) (0.4 puntos) RPM_motor Out = IN pulsos * 60 seg * 1 vuelta = IN * 60/T*10*2 T seg 1 min 10*2 pulsos b) (0.35 puntos) Normaliza rpms carga.. OUT = IN * 1/16*250 3) (0.75 puntos) Porqué debe generarse una señal de Identificación y otra de Validación? El objetivo es obtener la expresión analítica, o función de Transferencia, que representa la planta a controlar. Consultar material Práctica de Aula 3.1 (moodle). a) (0.4 puntos) Qué tipo de señal debemos observar en el Scope_1 (ID: 2)? Representa el estado del contador: eje X tiempo, eje Y estado del contador. Por lo tanto una línea recta con pendiente positiva en un sentido y negativa en el otro c) (0.35 puntos) Qué valor debo introducir en "Number of samples" para poder observar la respuesta cada 2,5 segundos? Si Ts= 0.1, 1 muestra cada 0,1 segundos, entonces en 2,5 segundos serán 25. Ponemos

5 Características de PCI 6221 ANEXOS - 5 -