CAPÍTULO 6. Conclusiones. 1. Análisis Mecanismo

Transcripción

1 CAPÍTULO 6 Conclusiones A pesar de no estar contemplado como una fase del proceso de diseño, el último paso que podría efectuarse antes de la fabricación definitiva del mecanismo en estudio sería la recopilación de los datos y características que finalmente definieran por completo el sistema, obteniéndose así además una visión global de las operaciones y análisis efectuados. Con este objetivo principal se desarrolla este capítulo de conclusiones. Además de esta visión global del mecanismo, se pretende también hacer una valoración de la dificultades encontradas durante el desarrollo de todo el proyecto, así como del aprendizaje obtenido, para concluir con una exposición de futuros desarrollos, estudios y aplicaciones a efectuar en nuestro sistema Ball & Beam. 1. Análisis Mecanismo El objetivo ya definido del proyecto ha sido la realización de un estudio previo del sistema Ball & Beam del cual obtener un diseño y parametrización del conjunto y de cada uno de sus elementos, partiendo para ello de una serie de especificaciones establecidas de antemano. Este estudio se ha basado en la secuencia de fases establecida de forma general en el proceso de diseño de un producto cualquiera, lo que ha permitido una visión más clara del proyecto y un mejor análisis de los resultados.

2 Capítulo 6: Conclusiones 132 De esta forma, y tras definir los requisitos esenciales necesarios en nuestro sistema, entre los que cabe destacar el tamaño deseado y la disposición ya de inicio del motor y sensor, se pasa a dimensionar el sistema formado principalmente por bola y viga. Así, del estudio de fricción se obtiene un primer dato: el ángulo idóneo para las caras del carril, que será de 30º. Por otro lado, se plantean diversas soluciones en cuanto a longitud de viga (1 ó 1,2 metros) y tipo de material de la bola (aluminio ó acero), averiguándose para cada uno de los casos los parámetros característicos que introduce el modelo definido para el sistema. De una primera simulación en Matlab, para la que se ha usado un algoritmo de control anidado, se obtiene que la bola elegida es la de acero, principalmente por motivos comerciales, ya que apenas hay diferencias entre un tipo de bola y otro. El principal problema que surge tras esta simulación es la limitación en cuanto a par del motor disponible. Por ello se decide realizar un estudio sobre los efectos que conlleva la utilización de una caja de engranajes o reductora para aumentar dicho par, llegándose a la conclusión de que ésta es necesaria para mover con ciertas garantías el conjunto completo. Se opta por una relación 1:5 ó 1:6. De éste último estudio realizado también mediante simulación en Matlab se decide que la longitud definitiva de la viga sea de 1 metro, sobre todo por razones de tamaño. Es conveniente destacar en este punto que los valores obtenidos de par, posición y ángulo girado se pueden mejorar considerablemente si se optimizan los parámetros de control de forma independiente para cada longitud. Una vez definido el conjunto barra-esfera por completo, ha sido necesario detallar el resto de elementos y su integración. En este sentido cabe destacar el uso de una placa electrónica provista de microprocesador para desarrollar el algoritmo de control. Este elemento simplifica muchísimo el proyecto en sí, aunque tiene el inconveniente de la mala o nula visualización de resultados durante el funcionamiento del mecanismo. Por otro lado, también requiere especial mención el uso de un sensor de ultrasonidos para medir la posición de la bola. Tras diversas pruebas realizadas con él primeramente en diferentes conductos y después en el prototipo, se llega a la conclusión de que se trata de un sensor de medida muy válido para su cometido, aunque hay que tener bastante cuidado con la presencia de objetos cercanos y con la reflexión. Estos inconvenientes tendrán que ser especialmente tenidos en cuenta cuando se realicen pruebas con el mecanismo definitivo. Otro de los elementos importantes del sistema es el encoder usado para medir el giro y velocidad del motor. En este sentido, lo más importante es tener muy claro el uso de las señales de pulsos generadas A, B y Z para programar correctamente el microprocesador y obtener así una buena medida del ángulo girado en el control. Una vez definidas todas las dimensiones y características y establecido todos los elementos que integran el proyecto, se puede dar el paso para construir y ensamblar de forma definitiva el sistema Ball & Beam.

3 Capítulo 6: Conclusiones Dificultades Encontradas En un principio, la idea con la que se inició este proyecto era la de diseñar, implantar y controlar de forma básica este mecanismo de dinámica no lineal, pero la propia evolución natural que ha llevado, y las dificultades encontradas, han provocado que el proyecto se alargase en el tiempo y como consecuencia se reconvirtiera en un estudio previo de diseño. Las principales dificultades detectadas se deben a los inconvenientes lógicos que introduce la secuencia de fases dada en el proceso de diseño: retrasos que se acumulan debido a la dependencia temporal de las fases, necesidad de rediseño al detectarse tarde los fallos e incremento del coste de desarrollo. Todo esto provoca un alargamiento en el tiempo del proyecto, y sobre todo rectificaciones en el diseño y en los cálculos ya realizados. Así podemos encontrar algunos ejemplos en los que, bien por la realización de alguna prueba, o bien porque no se había tenido en cuenta anteriormente, ha sido necesario retornar atrás y modificar alguno de los cálculos y parámetros, como ha pasado con los valores de I v al no haberse considerado en un principio la inercia que introducía el sensor y el contrapeso. En otras ocasiones, las conclusiones obtenidas tras varios experimentos han supuesto entrar en detalle en el desarrollo de otras técnicas y dispositivos, como ha ocurrido con la simulación realizada con la reductora ó el amplio estudio llevado a cabo con el sensor de ultrasonidos, y que a la postre han sido los puntos más críticos de todo el proyecto. Deteniéndonos en este último apartado, la aparición de problemas a la hora de medir la posición de la bola mediante ondas de ultrasonido también ha traído como consecuencias la posibilidad de cambiar en parte la apariencia externa del mecanismo en lo que concierne a la sujeción motor-viga, y que todavía está en el aire a expensas de definir en colaboración con la empresa que finalmente construya el dispositivo. Otro problema que ha surgido se ha dado en el estudio de la reductora, y concretamente a la hora de tomar un referente con el que comparar si el motor es capaz de proporcionar el par necesario para mover la viga o no. Puesto que el motor va a girar a distintas velocidades, se ha optado finalmente por usar como valor de comparación la potencia máxima que viene especificada en catálogo, por lo que ha habido que modificar las señales de salida del bucle de control utilizado en la simulación para obtener tal potencia. Por último, si atendemos a los criterios de selección, los más importantes se han dado a la hora de elegir el tipo de bola y sobre todo la longitud de la viga. En este último caso, hemos encontrado bastantes problemas en las comparaciones, debido fundamentalmente a la forma de dar valores a los parámetros de control, lo cual se ha realizado manualmente, y a que éstos varían mucho dependiendo de la longitud de la viga y de la condición inicial impuesta. La obtención de los parámetros idóneos en cada caso ha supuesto un gran coste de tiempo. La aparición de todos estos inconvenientes no hace más que poner de manifiesto la dificultad que conlleva el proceso de diseño de cualquier mecanismo o producto, puesto que no se sabe a ciencia cierta cuando y que elementos deberán rediseñarse o estudiarse en profundidad.

4 Capítulo 6: Conclusiones Aprendizaje Los conocimientos adquiridos durante el desarrollo de todo el proyecto han sido cuantiosos y variados. Pasamos a enumerar los más importantes: Existencia del mecanismo Ball & Beam como sistema de estudio de algoritmos de control. Secuencia a seguir en el proceso de diseño de cualquier producto. Dificultades que pueden aparecer en cada uno de los pasos. Modelado del sistema no lineal y simplificaciones realizadas. Uso de las ecuaciones de estado en el bucle creado para la simulación. Influencia de parámetros físicos en el comportamiento y control de un sistema. Algoritmo de control anidado: funcionamiento y forma de actuar sobre sus parámetros. Interface de usuario de Matlab. Diferencias significativas entre los modelos de un motor con reductora y sin ella. Ventajas e inconvenientes. Canales de salida de un encoder. Forma de medir el ángulo y la velocidad del motor. Sensor de ultrasonidos: tecnología, uso, dificultades que conlleva, etc. Similitudes entre prototipo y elemento real. Validación. 4. Desarrollos futuros El primer paso tras la finalización de este proyecto sería la de acordar con la empresa encargada de fabricar el mecanismo en aluminio la disposición definitiva de los diferentes elementos (motor, reductora y viga) para no ser detectados por el sensor de ultrasonidos, tal y como se estableció en el Capítulo 4. Una vez se haya fabricado el mecanismo, el siguiente paso sería su implementación en el laboratorio, para lo cual hay que tener muy presente la integración de los diferentes elementos y sobre todo el uso de la placa electrónica, que es la que gobernará a grosso modo todo el sistema. En este sentido habrá que programar en lenguaje C todas las interrupciones y E/S del sistema, así como el propio algoritmo de control.

5 Capítulo 6: Conclusiones 135 Antes de cualquier prueba experimental, será necesario comprobar el correcto funcionamiento de todos los dispositivos, y en especial, del encoder y del sensor. En éste último, habrá además que realizar distintas pruebas en cuanto a posición en altura y separación respecto de la barra para ver que las mediciones obtenidas son válidas y no hay errores en las ondas emitidas y recibidas. Para la perfecta visualización de los resultados que se vayan produciendo, y operar fácilmente sobre el control que se esté aplicando, será conveniente la creación de un interface de usuario. A parte de estas indicaciones, que son las más inmediatas, también se podría llevar a cabo a largo plazo otros desarrollos de distinta índole, como pueden ser el cambio de tipo de sensor para medir la posición de la bola (láser, cámara, etc.) ó el cambio de controlador (PC, tarjeta de adquisición de datos dspace, etc.)