Sistemas de lazo Abierto y lazo cerrado

Transcripción

1 Sistemas de Control Automático. Guía 2 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]. 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 2 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, esta guia se hará en dos sesiones, un grupo de alumnos hará la Parte I y II en una sesión y el otro grupo hará la parte III y IV, en la siguiente sesión 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 2.1, no olvide conectar a tierra la entrada negativa del punto de suma. Figura 2.1. Sistema Térmico de lazo abierto. 3. Reduzca al minimo las perillas tanto del voltaje de referencia (Set point Value) como las del controlador proporcional, si está ocupando un controlador PID 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 puente #2. 4. El interruptor que cortocircuita la resistencia en el sistema de control de temperatura debe estar hacia arriba (abierto). 5. Conecte la entrada Y+ y Y- del plotter a la salida del transductor temperatura/voltaje y a tierra

3 Sistemas de Control Automático. Guía 2 3 respectivamente. 6. Coloque una hoja de papel milimetrado en el graficador 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 7. Deje abierto el SWITCH que esta entre el voltaje de referencia y el controlador PID. 8. Encienda el plotter y coloque la pluma por medio de la perilla del selector vertical del graficador, en un lugar conveniente de la hoja. 9. No encienda aún la fuente de alimentación y trace una gráfica para estas condiciones, moviendo momentáneamente la perilla de 1X a START (luego regresela a la posición 1X), se trazará una linea recta que sirve como referencia ya que equivale a temperatura 0 grados. 10. Al terminar la gráfica, la pluma volverá automáticamente al inicio. 11. Encienda la fuente de alimentación, (como puede ver la pluma del plotter ha subido varios centímetros), esta nueva temperatura es la temperatura ambiente, proceda a trazar otra gráfica. 12. Conecte el voltímetro (escala de 10V) a la salida del módulo amplificador de potencia y quite el puente # 2 (para desconectar el sistema térmico), cierre el SWITCH que conectó entre el voltaje de referencia y el controlador PID y ajuste este voltaje hasta obtener 8.0 VDC, para ello primero coloque la perilla del voltaje de referencia al 100%), luego se debe ajustar KP para obtener el voltaje deseado, para ello coloquelo en escala x1 y luego aumente lentamente la perilla KP hasta llegar a 8.0 VDC (80 C). 13. Abra el SWITCH que colocó entre el voltaje de referencia y el controlador PID y conecte de nuevo el puente # 2 (para conectar el sistema térmico), aumente el selector de escala de tiempo del plotter a 5S/cm debe trazar una gráfica para estas condiciones, pero esta vez cuando la pluma haya recorrido dos o tres centímetros cierre el switch que colocó entre el voltaje de referencia y el controlador PID. 14. Suponiendo la temperatura ambiente de 26 grados Celsius. Qué temperatura 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). 15. Trace nuevamente la gráfica, esta vez cuando la pluma haya recorrido dos o tres centímetros 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. 16. Observe el voltaje a la salida del módulo amplificador de potencia Cómo se comporta el sistema ante una perturbación externa? 17. 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.

4 4 Sistemas de Control Automático. Guía 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: Porcentaje de regulación. T SS : Temperatura en estado estable. T DES : Desviación máxima de temperatura. % R= T SS T DES T SS x100 Ecuación 2.1 PARTE II. SISTEMA TÉRMICO A LAZO CERRADO 19. Reduzca las perillas del voltaje de referencia y del controlador PID al mínimo y abra tanto el SWITCH que se colocó entre el voltaje de referencia y el controlador PID como el interruptor que cortocircuita la resistencia del sistema térmico. 20. Espere a que el sistema se enfríe a temperatura ambiente, luego desconecte la entrada negativa del sumador de tierra y conecte la salida del transductor temperatura/voltaje a esta entrada, también desconecte el puente # Repita los pasos del 6 al 13 de la parte I. 22. repita el procedimiento del paso 15, 16 y 17 de la parte I. Observe el voltaje de salida del módulo amplificador de potencia en presencia de la perturbación. Qué puede concluir? 23. Observe el voltaje a la salida del amplificador de potencia cuando se produce la perturbación. Calcule el porcentaje de regulación como en el paso 18 de la parte I. Comente sus resultados. 24. Reduzca todas las perillas del voltaje de referencia y del controlador PID al mínimo y apague la alimentación en todos los equipos y módulos utilizados. 25. Retire la pluma del plotter, desconecte los cables y puentes de los módulos y guardelos en su lugar. PARTE III. SISTEMA ELÉCTRICO A LAZO ABIERTO. 26. 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. 27. Arme e inserte los módulos del sistema eléctrico en el orden que muestra la Figura 2.2, no olvide conectar a tierra la entrada negativa del punto de suma.

5 Sistemas de Control Automático. Guía 2 5 Figura 2.2. Sistema Eléctrico en lazo abierto. 28. Reduzca al minimo las perillas tanto del voltaje de referencia (Set point Value) como las del controlador proporcional, si está ocupando un controlador PID 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 puente # Abra tanto el SWITCH 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). 30. Conecte la entrada Y+ y Y- del plotter a la salida del transductor velocidad/voltaje y a tierra respectivamente. 31. 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 32. Deje abierto el SWITCH que esta entre el voltaje de referencia y el controlador PID. 33. Encienda la fuente de alimentación y el plotter y coloque la pluma por medio de la perilla del selector vertical del graficador en un lugar conveniente de la hoja. 34. Trace una gráfica para estas condiciones, moviendo momentáneamente la perilla de 1X a START (luego regresela a la posición 1X), se trazará una linea recta que sirve como referencia ya que equivale a 0 RPM. 35. Al terminar la gráfica, la pluma volverá automáticamente al inicio. 36. Cierre el SWITCH que esta entre el voltaje de referencia y el controlador PID. 37. Conecte el voltímetro (escala de 10V) a la salida del tránsductor 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

6 6 Sistemas de Control Automático. Guía 2 coloquelo en escala x1 y luego aumente lentamente la perilla KP hasta llegar a 4.0 VDC 38. Abra el SWITCH que esta entre el voltaje de referencia y el controlador PID y trace una gráfica, pero esta vez cuando la pluma haya recorrido dos o tres centímetros cierre el switch que colocó entre el voltaje de referencia y el controlador PID. 39. A continuación se simulará una perturbación para ello trace otra gráfica y cuando la pluma haya recorrido dos o tres centímetros conecte el generador al motor por medio del interruptor ubicado en la esquina superior derecha del módulo. Explique el comportamiento de la gráfica. 40. 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 2.2 PARTE IV. SISTEMA ELÉCTRICO EN LAZO CERRADO. 41. Reduzca las perillas del voltaje de referencia y del controlador PID al mínimo, ahora conecte la entrada negativa del sumador a la salida del transductor de velocidad / voltaje. 42. Trace una gráfica de referencia 0 RPM. 43. Varíe el voltaje de referencia hasta un 70% de su máximo valor y repita los pasos 37 al 41 de la parte III, observe cuidadosamente ambas gráficas. Qué puede concluir? 44. Reduzca todas las perillas del voltaje de referencia y del controlador PID al mínimo y apague la alimentación en todos los equipos y módulos utilizados. 45. Retire la pluma del plotter, desconecte los cables y puentes de los módulos y guardelos en su lugar.

7 Sistemas de Control Automático. Guía 2 7 Análisis de Resultados 1. En los circuitos de la figura 2.1 y 2.2 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. 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 2 Hoja de cotejo: 2 Guía 2: 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.