Campuzano Sánchez Agustín-Martínez Gómez Marcos Iram.docx

Secretaría de Educación Educación Pública Dirección General de Educación Superior Tecnológica

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA INGENIERIA MECATRÓNICA

Contro l Discreto

“Proyecto: Regulación de velocidad de un M o t o r d e v e n t i l a d o r p a r a e l c o n t r o l d e t em em p e r a t u r a m e d i a n t e c o n t r o l ” ” discreto

Alumnos: Campuzano Sánchez Agustín Martínez Gómez Marcos Iram

Profesor (a): Dr. Fidel Alejandro Camarena Vudoyra

Metepec, México, a 13 de diciembre del 2013.

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Regulación de velocidad de un motor de ventilador para el control de temperatura

ÍNDICE RESUMEN ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................................ ................................................................................................ 6 HIPÓTESIS ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 7 OBJETIVO GENERAL ........................................................................... ....................................................................................................................... ............................................ 8 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.................................................................... ................................................................................................................ ............................................ 8 JUSTIFICACIÓN ........................................................... .............................................................................................................................. ................................................................... 9 DELIMITACIÓN......................................................................................................... ............................................................................................................................... ...................... 9 MARCO TEÓRICO.................................................................... ......................................................................................................................... ..................................................... 10 Temperatura ...................................................................... ........................................................................................................................... ..................................................... 10 Ventiladores ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 11 Ventilación general ........................................................................................................ ................................................................................................................. ......... 18 Control............................................................................................................................ ..................................................................................................................................... ......... 19 ESTADO DEL ARTE ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 26 METODOLOGÍA EN CASCADA........................................................... ...................................................................................................... ........................................... 30 Análisis................................................................................................................. Análisis.............................................. ....................................................................................... .................... 30 Diseño.................................................................................................................. ...................................................................................................................................... .................... 32 Implementación ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 38 Pruebas........................................................................................................................... .................................................................................................................................... ......... 39 Mantenimiento ....................................................................................................................... 40 PRUEBAS Y RESULTADOS................................................................... RESULTADOS............................................................................................................. .......................................... 41 Pruebas:.......................................................................................................................... Pruebas:....................................................... ............................................................................ ......... 46 Resultados: .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 46 ANEXOS ........................................................... .............................................................................................................................. ............................................................................ ......... 49 ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................. ................................................................................................................. 59 ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................... ................................................................................................................... 60 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 61

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ÍNDICE RESUMEN ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................................ ................................................................................................ 6 HIPÓTESIS ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 7 OBJETIVO GENERAL ........................................................................... ....................................................................................................................... ............................................ 8 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.................................................................... ................................................................................................................ ............................................ 8 JUSTIFICACIÓN ........................................................... .............................................................................................................................. ................................................................... 9 DELIMITACIÓN......................................................................................................... ............................................................................................................................... ...................... 9 MARCO TEÓRICO.................................................................... ......................................................................................................................... ..................................................... 10 Temperatura ...................................................................... ........................................................................................................................... ..................................................... 10 Ventiladores ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 11 Ventilación general ........................................................................................................ ................................................................................................................. ......... 18 Control............................................................................................................................ ..................................................................................................................................... ......... 19 ESTADO DEL ARTE ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 26 METODOLOGÍA EN CASCADA........................................................... ...................................................................................................... ........................................... 30 Análisis................................................................................................................. Análisis.............................................. ....................................................................................... .................... 30 Diseño.................................................................................................................. ...................................................................................................................................... .................... 32 Implementación ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 38 Pruebas........................................................................................................................... .................................................................................................................................... ......... 39 Mantenimiento ....................................................................................................................... 40 PRUEBAS Y RESULTADOS................................................................... RESULTADOS............................................................................................................. .......................................... 41 Pruebas:.......................................................................................................................... Pruebas:....................................................... ............................................................................ ......... 46 Resultados: .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 46 ANEXOS ........................................................... .............................................................................................................................. ............................................................................ ......... 49 ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................. ................................................................................................................. 59 ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................... ................................................................................................................... 60 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 61

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RESUMEN A través del tiempo, el hombre ha siempre intentado mejorar sus condiciones de vida, cambiando el entorno que lo rodea, de manera que sus actividades tomen menos esfuerzo y las realice con mayor confort. Años le ha tomado perfeccionar el interior de sus hogares y lugares de trabajo, es aquí donde entran los sistemas de acondicionamiento de ambiente, permitiéndole desarrollar actividades en donde, de no contar con dichos sistemas, no se podría estar. Dentro de los sistemas de control de ambiente encontramos los dispositivos capaces de enfriar locaciones específicas y, reduciendo aún más éste concepto, podemos localizar los sistemas de ventilación que no sólo son para transmitir flujo de aire de un lugar a otro, sino para llevar las condiciones de un espacio cerrado a las óptimas. Los dispositivos de ventilación han estado en nuestra vida diaria desde hace tiempo y en general, su diseño no ha variado considerablemente con el paso de los años; sin embargo, es el diseño de los sistemas que los controlan el que ha evolucionado dramáticamente y con gran auge desde la década de los cincuentas, que fue el inicio de los sistemas electrónicos modernos. Actualmente, el control digital es uno de los medios por los cuales se llega a manipular con mayor eficiencia una infinidad de dispositivos, de manera que actúen exclusivamente como uno lo desea. El presente trabajo está dedicado al estudio en particular de una técnica para gobernar un motor de corriente directa, pero con aplicación orientada a un sistema de regulación de temperatura con sensor propio de temperatura (lm35), capaz de ejecutar variaciones en la velocidad de dicho motor, controlando de esta manera la cantidad de flujo de aire que éste provee a una locación específica. Asimismo, este proyecto fungirá como una guía para el estudiante, profesor, ingeniero o empresario, que quiera tener un antecedente para la elección de sistemas de ventilación, con el fin de proporcionar elementos que ayuden a determinar si este tipo de sistema, con este tipo de control, es la mejor elección para sus necesidades.

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INTRODUCCIÓN En las actividades del hombre es necesario tener el control del ambiente que lo rodea, esto implica también el control de la temperatura, el equipo informa de la temperatura en que se encuentra y se manipula ésta, según se necesita. Los sistemas de regulación de temperatura operan de diferentes maneras, integrando sistemas de refrigeración por gas y sistemas de calefacción por medio de resistencias e intercambiadores de calor. Sin embargo algo que la mayoría de los sistemas de regulación de temperatura tienen en común, es un dispositivo encargado de llevar la temperatura deseada al punto deseado. Entre estos dispositivos encontramos los ventiladores, los cuales crean un flujo para trasladar el calor o la ausencia del mismo de un lado a otro. Dependiendo de su aplicación, existe una gran variedad de tipos de ventiladores, los cuales pueden ser divididos en base a su forma, potencia, distribución del flujo de aire, función, entre otras. El tipo de ventilador que mejor cumple la línea de acción en sistemas de enfriamiento directo es el ventilador de chorro, esto debido a que manejan una región de incidencia, de manera que se posicionan en la dirección que se requiere y envían el flujo a donde se requiere. Los ventiladores también pueden ser utilizados para crear este efecto de regulación, mediante extracción y empuje de aire para calentar o enfriar un área. Un ventilador consta de un motor el cual tiene acopladas una serie de paletas que generan un empuje de aire; cuando éste circula a través de él. Debido a esto, el control de un ventilador se reduce al control de un motor. Los motores más usados son de corriente continua, los cuales sufren variaciones de velocidad en base a la cantidad de voltaje que reciben. El 8 de junio de 1993 se publicó pro medio del Diario Oficial de la Federación la Norma Oficial Mexicana NOM-001-STPS-1993, la cual plantea las condiciones de seguridad e higiene en los edificios, locales, instalaciones y áreas de los centros de trabajo. Está norma contiene los principales requerimientos que una ubicación debe cumplir con respecto al sistema de ventilación. La norma fue revisada y publicada nuevamente en 1999 bajo el nombre de NOM-001-STPS1999. En su quinta sección se habla de los sistemas de ventilación y junto a la norma NOM-016-STPS-1993, relativa a las condiciones de seguridad e higiene en los centros de trabajo referente a ventilación, fungen como los principales estatutos a seguir en el cumplimiento de sistemas de ventilación en México. Si bien los sistemas de ventilación son ampliamente variados, existen problemas en cuanto a elegir el más adecuado para la función que se requiere, de manera que, la mala determinación de uno puede conllevar a una pérdida de tiempo y de efectividad significativa; esto plantea un problema en cuanto al dispositivo que se desea utilizar. Parte de este trabajo está dedicado a documentar el sistema de ventilador direccionado, controlado de manera

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sencilla mediante un microcontrolador, dando como tal una guía para que el usuario en la industria pueda determinar si este sistema es el más indicado para implementar en sus proyectos, en su planta o instalación en general El presente trabajo, se enfocamos al control de un motor de corriente continua mediante control discreto, el cual conlleva un sistema de muestreo y error; y mediante la ley de control encontramos un método eficaz de control para dicho sistema. Para finalizar esta sección, es muy fácil encontrar información referente a sistemas de ventilación, tipos de ventiladores, instalaciones de flujo de aire, entre otros temas relacionados con el presente documento; sin embargo, la información referente a sistemas de control para ventilación o regulación de flujo de aire es escasa, esto debido a que dicha bibliografía y documentación sobre control no está orientada a un área específica, de manera que éste trabajo aporta a dicha bibliografía un registro para futuras consultas a estudiantes, profesores y público general, pero dirigido estrictamente al control de motores para ventilador, con un sensor propio para monitorear la temperatura y así desarrollar su función de manera adecuada.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ¿Existe un método eficaz de control mediante control discreto para establecer la velocidad de un motor de corriente directa, de manera que no exista sobre impulso en éste y se logre una variación de velocidad en base a una variable externa (temperatura), mediante un microcontrolador?

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HIPÓTESIS Por medio del método analítico de compensadores digitales, se puede realizar un compensador, que, mediante la ley general de control, permita un control sobre un motor de corriente directa para cambiar su velocidad, en base a una variable independiente (temperatura).

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OBJETIVO GENERAL Mediante control discreto, encontrar un método eficiente de control de un motor eléctrico de corriente directa, en base a una variable externa (temperatura), que permita eliminar el sobre impulso del sistema y reduzca el error de estado estacionario a cero, utilizando un microcontrolador.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

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Determinar los métodos más adecuados para el control de motores de corriente directa. Construcción de un circuito encoder, capaz de obtener la velocidad de giro del motor, para realimentar el sistema. Diseño de un compensador mediante control discreto, que elimine el sobre impulso en una función de transferencia de respuesta de un motor de corriente directa, con cambios en base a un sensor de temperatura. Determinar un código para un microcontrolador que permita establecer un SET POINT en el sistema, así como manipularlo a requerimiento del usuario. Realizar pruebas con un compensador diseñado para el sistema de manera que sean visibles los cambios en el motor y por lo tanto la temperatura del sistema disminuya. Construcción de un sistema capaz de realizar funciones de enfriamiento, con lectura de un circuito integrado lm35 por medio del giro de un motor de ventilador. Proporcionar resultados que ayuden al usuario a decidir si el sistema de control por el método elegido es el más adecuado para la aplicación que se requiere.

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JUSTIFICACIÓN Dentro de la industria los sistemas de regulación de temperatura son una necesidad básica; por una parte es primordial el control del ambiente en las instalaciones que albergan personal, sea en nivel de planta o en niveles de oficina, esto orientado precisamente al confort de las personas, de manera que el lugar donde se desarrollan sus actividades se encuentre en las condiciones más optimas posibles, que garanticen el buen desempeño de las mismas. En segunda instancia tenemos el control de temperatura para sistemas en líneas de producción o procesos de manufactura; ésta es una área amplia en la cual existen un sinnúmero de exigencias debido a la basta variedad de sistemas, estándares y normas para producción de diferentes tipos de materiales. Éstas exigencias, cabe resaltar, están dadas en base al giro de la industria en cuestión, dado que los requerimientos de temperatura en empresas dedicadas a sistemas mecánicos no son iguales a los requerimientos en sistemas alimenticios o farmacéuticos, donde la regulación de temperatura y ambiente es un factor determinante en la calidad de salida del producto. Dentro de los sistemas de control de temperatura uno de los componentes básicos para su buen funcionamiento es un dispositivo capaz de llevar el flujo de aire hacia donde éste se requiere; ya sea con el fin de calentarlo o de enfriarlo, dependiendo de la aplicación. Generalmente este sistema está compuesto por un ventilador, debido a que es uno de los aparatos más sencillos de utilizar e implementar. Es en esta área, en donde se busca que tenga un impacto el presente trabajo, debido a que se obtendrá un sistema de control para motores de ventiladores capaz de regular la velocidad de los mismos, de manera que se obtenga un rango amplio de trabajo que no sólo aumente la eficiencia del sistema, sino que permita un ahorro significativo de energía debido a que el sistema actúa al momento que se necesita y de la manera que se necesita. La justificación se basa en la metodología utilizada para la realización de nuestro sistema, que más que acercarse a un sistema de prueba y error, se basa en un método teórico de implementación de control discreto con ayuda de microcontroladores y sistemas de muestreo sincronizados, para lograr que el motor realice lo que uno quiere y exactamente lo que uno quiere.

DELIMITACIÓN Se entregará un sistema completo de control de temperatura en un espacio cerrado, el cual funcione mediante el control de velocidad de un ventilador, con retroalimentación mediante un encoder que muestree la velocidad actual, error y calcule velocidad próxima. La restricción más grande para el desarrollo del presente proyecto es monetaria, debido a que se busca tener un sistema que pueda ser implementado de manera fija en un dispositivo de control de temperatura, sin embargo para lograrlo, las exigencias de sistemas industriales sobrepasan la capacidad de compra para el desarrollo del aparato.

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MARCO TEÓRICO Temperatura La temperatura de un cuerpo indica en qué dirección se desplazará el calor al poner en contacto dos cuerpos que se encuentran a temperaturas distintas, ya que éste pasa siempre del cuerpo cuya temperatura es superior al que tiene la temperatura más baja; el proceso continúa hasta que las temperaturas de ambos se igualan. El calor equivale a la energía calorífica que contienen los cuerpos la temperatura es la medida del contenido de calor de un cuerpo. Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor, siendo está muy caliente. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles. La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura. La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente. La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un número de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor específico de la sustancia de que está constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo. Si la conductibilidad térmica de un cuerpo es pequeña, la transmisión del calor se manifiesta por un descenso rápido de la temperatura entre el punto calentado y otro próximo. Así sucede con el vidrio, la porcelana, el caucho, etc. En el caso contrario, por ejemplo con metales como el cobre y la plata, la conductibilidad térmica es muy grande y la disminución de temperatura entre un punto calentado y el otro próximo es muy reducida. Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una manera exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados, y la cantidad

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de calor, que se expresa en calorías. (González Toro, 2011) Medición de la temperatura del aire: El instrumento utilizado para medir temperaturas se llama termómetro. Existen varios tipos de termómetros, cuya construcción varía según el uso a que se destinan y su modo de utilización. Todos los termómetros miden la temperatura y sus variaciones aprovechando el efecto producido por el calor sobre un cuerpo. Generalmente se utiliza la dilatación que acompaña a un incremento de calor. La dilatación del mercurio contenido en un tubo cerrado de vidrio, constituye el fundamento del termómetro científico más común. Algunas veces se utiliza alcohol en lugar de mercurio. En meteorología, las temperaturas que mayormente se miden son las siguientes: Temperatura del aire o ambiente.- es la temperatura del aire registrada en el instante de la lectura. Punto de rocío (Temperatura de punto de rocío)...- es la temperatura a la cuál el aire alcanza la saturación, es decir se condensa. Esta temperatura es medida por medio del Psicrómetro, Instrumento consistente en un termómetro de bulbo seco y uno de bulbo húmedo, que se utiliza para medir el contenido de vapor de agua en el aire. (Nimbus, 2008) Ventiladores Generalidades Los ventiladores son máquinas rotatorias capaces de mover una determinada masa de aire, a la que comunican una cierta presión, suficiente para que pueda vencer las pérdidas de carga que se producirán en la circulación por los conductos. Se componen de: Elemento rotativo Soporte Motor   

El elemento rotativo es la pieza del ventilador que gira en torno al eje del mismo. Puede ser una Hélice o un Rodete. Lo llamaremos Hélice si la dirección de salida del aire impulsado es paralela el eje del ventilador (dirección axial). Generalmente la hélice puede mover gran cantidad de aire comunicando al mismo una discreta presión.

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Lo llamaremos Rodete si la dirección de salida del aire impulsado es perpendicular al eje del ventilador. Generalmente los rodetes mueven un volumen de aire menor que las hélices, pero con una presión mucho mayor. En los ventiladores de hélice, generalmente, el conjunto se compone también de una embocadura acampanada que mejora el rendimiento. Los ventiladores de rodete se montan en una voluta en espiral. Cuando se desea conseguir ventiladores con rendimiento por encima de los usuales, puede recurrirse a las directrices, que son unos álabes fijos, colocados a la entrada o salida del ventilador, cuya función principal es enderezar la vena de aire haciéndola aproximadamente axial. El motor es el componente que acciona la hélice o rodete. Definiciones Un ventilador, en la aceptación más amplia del vocablo, es una turbo máquina que recibe energía mecánica para mantener un flujo continuo de aire, u otro gas, con una presión de hasta 3.000 mm c.d.a. Clasificación de los Ventiladores Los ventiladores, denominados así de una forma amplia para todas sus concepciones, pueden clasificarse de formas muy diferentes, siendo la más común la siguiente: Según su función 1. Ventiladores Con Envolvente: Suele ser tubular, por lo que también se les denomina Tubulares y tienen por objeto desplazar aire dentro de un conducto. a. Impulsores: Son los ventiladores en los que la boca de aspiración está conectada directamente a un espacio libre, estando la boca de descarga conectada a un conducto.

Figura 1: Ventilador Impulsor

b. Extractores: Son los ventiladores en los que la boca de aspiración está conectada a un conducto y la boca de descarga está conectada a un espacio libre.

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Figura 2: Ventilador extractor

c. Impulsores-Extractores: Son los ventiladores en los que tanto la boca de aspiración como la de descarga están conectadas a un conducto.

Figura 3: Impulsor-Extractor

2. Ventiladores Murales: Conocidos también como, simplemente, Extractores, sirven para el traslado de aire entre dos espacios distintos, de una cara de pared a otra.

Figura 4: Ventilador Mural

3. Ventiladores De Chorro: Son aparatos que se utilizan cuando se necesita una determinada velocidad de aire incidiendo sobre una persona o cosa.

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Figura 5: Ventilador de Chorro

Según la trayectoria del aire en el ventilador 1. Ventiladores centrífugos: En los que el aire entra en el rodete con una trayectoria esencialmente axial y sale en dirección perpendicular. Los rodetes de los ventiladores centrífugos pueden ser de tres tipos: 

Álabes radiales

Figura 6: Álabes Radiales



Álabes hacia adelante

Figura 7: Álabes Hacia Adelante



Álabes hacia atrás

Figura 8: Álabes Hacia Atrás

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2. Ventiladores axiales: En los cuales el aire entra y sale de la hélice con trayectorias a lo largo de superficies cilíndricas coaxiales al ventilador. Las hélices de los ventiladores axiales pueden ser de dos tipos: 

Perfil delgado

Figura 9: Ventilador de Perfil Delgado



Perfil sustentador (o de ala de avión, portante).

Figura 10: Ventilador de Perfil Sustentador

3. Ventiladores helicocentrífugos: En los cuales la trayectoria del aire en el rodete es intermedia entre las del ventilador centrífugo y axial.

Figura 11: Helicocentrífugo

4. Ventiladores tangenciales: En los cuales la trayectoria del aire en el rodete es sensiblemente normal al eje, tanto a la entrada como a la salida del mismo, en la zona periférica.

Figura 12: Tangencial

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Según la presión del ventilador 1. Baja presión: Cuando la presión del ventilador es inferior a 72 mm c.d.a.

Figura 13: Ventilador de Baja Presión

2. Mediana presión: Cuando la presión del ventilador está comprendida entre 72 y 360 mm c.d.a.

Figura 14: Ventilador de Mediana Presión

3. Alta presión: Cuando la presión del ventilador es superior a 360 mm c.d.a.

Figura 15: Ventilador de Alta Presión

Según las condiciones de funcionamiento 1. Ventiladores corrientes: Son los que efectúan el movimiento de aire no tóxico, no saturado, no inflamable, no corrosivo, no cargado de partículas abrasivas y que la temperatura no sobrepasa 80 °C (o 40 °C, si el motor se encuentra en la corriente de aire). 2. Ventiladores Especiales: Son los diseñados para vehicular gases calientes, húmedos, corrosivos, para el transporte neumático, antiexplosivo, etc. Según Método De Control De Las Prestaciones Del Ventilador

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Atendiendo al sistema empleado para variar las prestaciones del ventilador, que puede conseguirse variando la velocidad del motor, mediante compuertas, variando la inclinación de los álabes, tanto los de la hélice como los de la directriz de entrada, etc. 1. Con regulador de velocidad: Los reguladores varían las condiciones de la corriente de alimentación y con ello la velocidad del motor y, a la postre, la característica del ventilador. Pueden ser de transformador, que varían la tensión de alimentación manteniendo su forma senoidal y variadores de frecuencia que aumentan o disminuyen ésta y por tanto la velocidad del motor.

Figura 16: Regulador Electrónico de velocidad

2. Con compuertas: Las compuertas, siempre a la admisión del ventilador y mejor para centrífugos (los axiales las soportan mal) abren y cierran el paso al aire de entrada al aparato con lo que regula la característica del mismo.

Figura 17: Ventilador con Compuertas

3. Con álabes de inclinación variable: Se usa generalmente este método en ventiladores axiales, lográndose caudales muy ajustados a los objetivos fijados, pero exige una alta complejidad constructiva para la hélice de los mismos. Variando el ángulo de los álabes se logran regímenes distintos del ventilador pero hay que ir con cuidado con la capacidad del motor de accionamiento para no sobrepasarla y comprometer su seguridad. Los aparatos más sofisticados, y caros, de este tipo pueden variar la inclinación de sus álabes estando el aparato en funcionamiento, sin interrumpir su trabajo. Sólo es aplicable este método en grandes ventiladores. (Soler & Palau, 2012)

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Figura 18: Ventilador con Álabes de inclinación variable

Ventilación general Consiste en el ingreso al local de un caudal de aire limpio exterior, calculado para diluir los contaminantes y reducir sus concentraciones a valores inferiores a los límites admisibles, o bien suficiente para una adecuada transferencia de calor al exterior. Este tipo de ventilación, denominada con propiedad ventilación por dilución, es aplicable cuando en un local existen numerosas fuentes de contaminación dispersas, o cuando las fuentes son móviles. Su aplicación está limitada por la toxicidad y por la cantidad de contaminantes generados que, cuando superan ciertos valores, determinan la necesidad de caudales de aire que no son técnica o económicamente factibles. El cálculo del caudal de la ventilación general, necesaria para la dilución de los contaminantes, requiere el conocimiento del régimen de generación de éstos. La correspondiente estimación es, en general, dificultosa. La concentración admisible para el cálculo debe incluir un factor de seguridad que tome en cuenta la distribución desigual de los contaminantes en el local. Es también aconsejable favorecer los movimientos convectivos localizados que tienden a unificar dicha distribución. La ventilación puede hacerse por medios naturales o mecánicos. En la ventilación mecánica el aire es extraído de los locales, o es inyectado en ellos, utilizando ventiladores. En cuanto a la renovación natural del aire de los locales, se realiza a través de las diversas aberturas que posean: puertas, ventanas, lucernas, chimeneas, juntas de los cerramientos, fisuras, etc. La circulación del aire se produce por diferencias térmicas y de presión, que pueden ser de origen natural, tales como las debidas a la diferente insolación de las paredes o a la acción del viento, o bien resultan de los procesos industriales (por transferencia de calor o por efecto mecánico). Si bien la ventilación natural es en parte incontrolable, por estar sujeta a variaciones climáticas imprevisibles, por ejemplo el viento, tiene numerosas aplicaciones en la ventilación de locales industriales, particularmente cuando

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existen fuentes de calor. Tales son los casos de las industrias siderúrgicas y del vidrio, salas de calderas, centrales térmicas, etc. El calor transferido al ambiente por los procesos industriales no sólo es un factor importante a tener en cuenta en la determinación de la ventilación necesaria, sino que también es energía disponible para producir esa misma ventilación, y por ello es conveniente considerar los siguientes casos típicos: Ventilación de áreas con procesos fríos. Ventilación de áreas con fuentes de calor.  

La ventilación general requerida por las áreas frías que no tienen fuentes contaminantes es mínima. Son suficientes las aberturas habitualmente existentes y las fugas, para asegurar la renovación del aire. En invierno puede ser necesaria la calefacción y en verano debe reducirse al mínimo la radiación solar incidente. Por el contrario, cuando en las áreas frías hay fuentes de contaminación es imprescindible la ventilación mecánica. Esta puede ser general o localizada; esta última es la más frecuentemente utilizada. En las áreas con fuentes de calor tiene aplicación tanto la ventilación natural como la mecánica. La ventilación natural puede ser general o localizada. Este último caso se presenta en la evacuación de gases calientes, como los gases de combustión, mediante campanas suspendidas o chimeneas. La ventilación mecánica general puede hacerse mediante extractores o inyectores de aire, sin usar conductos o bien con sistemas de conductos de aspiración o de distribución. (Aravena, -) Control El control automático no se habría podido desarrollar sin un paso previo dado por los controladores con la aparición de los computadores digitales los que abrieron un campo muy amplio de avance. K. Åström hace una reseña de hitos históricos en el llamado control digital que hablan de esta evolución. Hasta el surgimiento de los sistemas digitales el único elemento de cálculo con que contaba la Ingeniería de Control eran los computadores analógicos electrónicos. Lo mismo ocurría con la implementación de los reguladores. Estos se construían con elementos analógicos mecánicos, neumáticos o electrónicos. Pero el desarrollo de la electrónica y de los computadores digitales llevó a cambiar rápidamente la concepción. Los primeros computadores digitales fueron usados en sistemas de control de procesos extremadamente complejos. Con la reducción constante de los precios y tamaño, hoy se implementan reguladores digitales individuales por lazo de control. (Isermann, 1981) Los computadores digitales son usados también como herramienta para el análisis y diseño de los sistemas automatizados.

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La automática o ciencia del control cuenta con elementos mucho más poderosos que en el pasado. Los computadores digitales están en constante progreso especialmente con los avances en la tecnología de la integración en muy alta escala (VLSIT). Se esperan importantes cambios en los próximos años. En un primer momento se intentaba trasladar todos los algoritmos y mecanismos de diseño del campo analógico a los elementos digitales. Pero la teoría del control ha avanzado creando técnicas imposibles de implementar en forma analógica. Por lo tanto existen dos formas de analizar los sistemas discretos. Una, como una aproximación de los reguladores analógicos, pero ésta es una visión pobre y los resultados a lo sumo son iguales a los obtenidos anteriormente. La segunda es ver a los sistemas discretos de control como algo distinto y de esta manera obtener conclusiones más poderosas. Un sistema discreto se inserta en el lazo de control a fin de reemplazar el regulador pero e1 proceso físico continúa siendo continuo, en la mayoría de los casos de interés. La señal de salida se muestrea cada cierto tiempo (llamado período de muestreo) y se discretizada mediante un conversor analógico digital. Esta información es procesada y convertida nuevamente a analógica mediante un conversor digital analógico. Por lo tanto internamente, el computador se independiza del tipo de señal con que está trabajando y ve todas las magnitudes como una serie de valores discretos (de precisión finita). Por esto resulta cómodo trabajar con ecuaciones en diferencia en lugar de ecuaciones diferenciales como se hacía con los métodos analógicos. (Åström, 1984) Analizando la historia del control digital se puede fijar como momento inicial los años '50 donde aparecen las primeras computadoras dedicadas al control proceso. Eran muy grandes en cuanto a volumen, tenían un gran consumo y generalmente su fiabilidad no era muy grande. En 1956 se instala en la compañía Texaco un sistema que controla 26 caudales, 72 temperaturas y 3 composiciones. Este computador realizaba una suma en 1 ms y una multiplicación en 20 ms. Su tiempo medio entre fallas (TMEF o MTBF) que mide la fiabilidad de un equipo era de 50 a 100 hs solo para la CPU. Como características de la época se puede decir que no estaba avanzada aún la implementación de modelos en tiempo real. Lo que se usaba eran complejos modelos basados en el comportamiento físico del proceso. Había además un escaso desarrollo en materia de sensores. También se advierte por ese entonces un fuerte rechazo a la introducción de nuevas tecnologías. En 1962, en la Imperial Chemical Industries (en Inglaterra) se instala un control digital con 224 entradas comandando 129 válvulas. Se utiliza por ese entonces, como argumentación el concepto de Control Digital Directo (CDD o DDC), es decir que una única computadora controla toda una planta o proceso. Una suma se hacía en .1 ms y se multiplicaba en 1 ms. El TMEF había ascendido a unas 1000 hs. Se comenzaba a reemplazar tableros de instrumentos por teclado y pantallas. Ya se observa una ventaja importante: la fácil reconfiguración del sistema.

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En 1965 comienza la era de las mini computadoras. Una mini computadora típica tenía una longitud de palabra de 16 bits, de 8 a 124k de memoria fija más una unidad de disco. Aparecen los circuitos integrados con lo que se reducen notablemente los costos y los tamaños. Aumenta la velocidad y la fiabilidad: una suma se ejecuta en 0,002 ms y en 0,007 ms una multiplicación. El TMEF sube a 20000 hs. Ya es posible pensar en aplicar el control digital a proyectos pequeños con lo que se observa un crecimiento de las aplicaciones de 5000 a 50000 en 5 años. El costo medio de una aplicación (en 1975) es de unos 10000 dólares llegando el costo total del proyecto a 100000 dólares. En 1975 hacen su aparición las microcomputadoras con un costo medio de 500 dólares y un consumo despreciable. Ahora cambia el concepto d el sistema y se habla de control dedicado es decir dar a cada variable o grupo de ellas un control específico y personalizado. También en este momento se observa un gran desarrollo de la teoría de control. Con vistas al futuro se pueden prever avances en varios campos y con diversos ritmos. Uno de ellos es el propio conocimiento del proceso. Sus progresos son lentos pero constantes. Se ven potenciados actualmente por la facilidad en la recolección de datos y su posterior análisis. Asociado a esto están las técnicas de medición que se sofistican día a día al haber cada vez más sensores inteligentes incluso que incorporan computadores a bordo. Quizás el avance más espectacular sea en el terreno de la tecnología de los computadores. Se observan avances en varias áreas: desarrollos electrónicos en materia de integración (vlsi), en el dominio de las comunicaciones, en la presentación de la información, la aparición de nuevos lenguajes y en la arquitectura propia de los computadores. En cuanto al control avanzado, la teoría de control también prevé adelantos principalmente en las áreas de identificación de sistemas, algoritmos de control, optimización, control adaptativo, control inteligente y sistemas multivariables. Pero ya nunca más se podrá despegar el futuro de esta temática al del avance de los computadores digitales. (Aracil Santoja, 1980) Características del Control Digital Como características básicas del control digital se pueden mencionar las siguientes: No existe límite en la complejidad del algoritmo. Cosa que sí sucedía anteriormente con los sistemas analógicos. • Facilidad de ajuste y cambio. Por el mismo motivo anterior un cambio en un control analógico implica, en el mejor de los casos, un cambio de componentes si no un cambio del controlador completo. • Exactitud y estabilidad en el cálculo debido a que no existen derivas u otras fuentes de error. • Uso del computador con otros fines (alarmas, archivo de datos, administración, etc.) •



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•

•

Costo vs. vs. Número de lazos. lazos. No siempre se justifica un control digital digital ya ya que existe un costo mínimo que lo hace inaplicable para un número reducido de variables. Tendencia al control control distribuido o jerárquico. jerárquico. Se ha pasado pasado de la idea de usar un único controlador o computador para toda una planta a la de distribuir los dispositivos inteligentes por variable o grupos de estas e ir formando estructuras jerárquicas.

El proceso en la mayoría de los casos es continuo, es decir se lo debe excitar con una señal continua y genera una salida continua. Esta señal, como en cualquier lazo de control es sensada por algún dispositivo que a su vez entrega una señal continua proporcional a la magnitud medida. Por otra parte está el computador que solo trabaja con valores discretos. Para compatibilizar ambos existen dos elementos: el CDA y el CAD que realizan la conversión de magnitudes. En años recientes se ha incrementado el uso de controladores digitales en sistemas de control. Los controladores digitales se utilizan para alcanzar el desempeño óptimo, por ejemplo, en la forma de productividad máxima, beneficio máximo, costo mínimo o la utilización de mínima energía. Recientemente, la aplicación de control por computadora ha hecho posible el movimiento ‘inteligente’ en robots industriales, la optimización de economía de combustible en automóviles y el refinamiento en la operación de enseres y máquinas de uso doméstico, tales como hornos de microondas y máquinas de coser, entre otros, la capacidad en la toma de decisiones y la flexibilidad en los programas de control son las mayores ventajas de los sistemas de control digital. La tendencia actual de controlar los sistemas dinámicos en forma digital en lugar de analógica, se debe principalmente a la disponibilidad de computadoras digitales de bajo costo y a las ventajas de trabajar con señales digitales en lugar de señales en tiempo continuo. (Isermann, 1981) Una señal en tiempo discreto es una señal definida solo en valores discretos de tiempo (esto es aquellos en los que la variable independiente t está cuantificada). En una señal en tiempo discreto, si la amplitud puede adoptar valores en un intervalo continuo, entonces la señal se denomina señal de datos muestreados. Una señal de datos muestreados se puede generar muestreando una señal analógica en valores discretos de tiempo. Esta es una señal de pulsos modulada en amplitud. Una señal digital es una señal en tiempo discreto con amplitud cuantificada. Dicha señal se puede representar mediante una secuencia de números, por ejemplo, en la forma de números binarios. Los componentes principales de un sistema de control son: • Sensores • Actuadores • Controlador: permite obtener el comportamiento deseado del sistema a controlar, manteniendo al mismo tiempo la estabilidad del sistema

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Tipos de controladores: analógicos: implementados con amplificadores, • Controladores resistencias, condensadores que realizan estructuras semejantes a filtros que modifican la respuesta r espuesta frecuencial del sistema • Controladores digitales: implementados con microprocesadores, microcontroladores, DSP, FPGA, CPLD, etc... Necesitan conversores ADC y DAC. Tabla 1: Ventajas y desventajas entre controladores analógicos y digitales

Pasos de diseño de un sistema de control: • Obtención del modelo del sistema a controlar del controlador controlador para obtener el comportamiento deseado del • Diseño del sistema a controlar El diseño de controles digitales implica la conversión del sistema en una forma discreta. Dos métodos de conversión: • Diseño analógico y conversión a discreto para su implementación • Diseño discreto se debe obtener el modelo de la planta en forma discreta (transformada Z)

⇒

A pesar de que la teoría de sistemas muestreados es anterior a su aplicación al control, cobró realmente fuerza con ello. Mostraremos algunos de sus principales ideas. Es importante saber bajo qué condiciones una señal muestreada puede ser totalmente reconstruida. Los primeros tratamientos fueron hechos por Nyquist quien demostró que para reconstruir una señal senoidal es necesario muestrearla al menos dos veces por período. La solución completa la dio Shannon en 1949. Las ecuaciones en diferencias (1948 - Oldenburg-Sartorius) reemplazan las ecuaciones diferenciales en un sistema continuo. Así por ejemplo se puede investigar la estabilidad por el método de Schur-Cohn que es equivalente al de Routh-Hurwitz.

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Con el estudio de los radares se vio la necesidad de una teoría de la transformación. En 1945 surgen estudios simultáneamente en la URSS, GB y EEUU. Hurewicz (1947) plantea la transformación 

 

 

Tsypkin, URSS, (1950) la llama Transformada de Laplace Discreta En EEUU, en Columbia Columbia University, University, Ragazzini y Zadeh (1952) la rebautizan como Transformada Z Barker (1952), GB, llaga a idénticos resultados. Jury, EEUU, EEUU, alumno de Ragazzini, Ragazzini, presenta presenta su tesis doctoral doctoral con este tema.

La transformada en Z lleva a resultados sencillos y como contrapartida tiene la limitación de dar información solo en los instantes de muestreo. Para esto existe una herramienta adecuada que es la transformada en Z modificada. Un evento importante en los años 60 fue el desarrollo de la teoría del espacio de estado. Los principales aportes lo dieron Pontryagin y Bellman. Kalman desarrolló más esta teoría aplicada al control. Crecen en forma paralela con los sistemas discretos. El Control de tiempo finito es difícil analizarlo con ecuaciones diferenciales Muchos de los elementos teóricos aparecieron al estudiar el problema del control en tiempo finito. Se llegó así a los conceptos de controlabilidad y observabilidad. También se desarrollaron a fines de los 50' los conceptos de Control Óptimo y Estocástico. Bellman (1957), Pontryagin (1962) y otros mostraron la posibilidad de formular el diseño di seño del control como un problema de optimización. Una solución explícita para sistemas lineales con función de costo cuadrática la dio Bellman en 1958. Kalman obtuvo su célebre demostración donde el problema lineal cuadrático podía ser reducido a la solución de una ecuación de Riccati. Fue también Kalman el que formuló el filtro de Wiener para el espacio de estado lo que permitió resolverlo con ecuaciones recursivas, fácilmente aplicables al cálculo numérico. A comienzo de los ‘60 el problema variacional estocástico se formula

asumiendo que la perturbación es un proceso aleatorio. Todo esto contribuyó a desarrollar la teoría del control estocástico. Cuando se intentó aplicar la teoría a la práctica surgió la necesidad de tener herramientas de modelización. Se desarrolla entonces toda una teoría al respecto generándose una gran cantidad algoritmos (Aström, Eykhoff (1971), Goodwin, Payne (1977), etc.) El advenimiento del computador de control hizo posible la implementación de algoritmos más y más complejos permitiendo el uso de técnicas adaptativas.

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Los mayores adelantos fueron hechos en los ‘70 (Aström, Wittenmark (1973), etc.). (Proakis & Manolakis, 1998)

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ESTADO DEL ARTE Tabla 2: Principales referencias actuales al tema

NO 1 2 3

AÑO 2013 2012 2012

4

ESTADOS UNIDOS

Enikov, E. T.; Campa, G.

2012

ESTADOS UNIDOS

Gunasekaran, M.; Potluri, R.

2009

ESTADOS UNIDOS

Luyben, William l.; Tuzla, Kemal; Bader, Paul N.

2009

CHINA

Guoliang Zhong

2008

JAPÓN

Kazuya Shirahata

2007

ESTADOS UNIDOS

Charles L. Phillips

2006

INDIA

Chinnaiyan, V.K.

2001

ESTADOS UNIDOS

6

8 9

AUTOR Pushek Madaan Alvaro Romero COLOMBIA Acero Bauer, Karine; INGLATERRA Mendes, Luciano

2012 5

7

LUGAR INDIA

10

11

Maxim N. Slyadnev

CONCEPTOS CLAVE Principios de control para motores Sistema de control de posición motor dc inalámbrico Experimento didáctico del control de la velocidad de un motor de dc Aeropéndulo mecatrónico: demostración de retroalimentación lineal o no lineal Experimentos de sistemas de control de bajo costo usando un control mediante microcontrolador Experimento de intercambiador de calor dinámico Diseño de un sistema de control de lazo cerrado para un motor DC Métodos de control de velocidad de varios tipos de motores Diseño y análisis de sistemas de control digital Diseño e implementación de convertidores de alto poder y controladores de velocidad para control de motores DC Control Foto térmico de un microchip usando un láser infrarrojo

1. Principios de Control para motores: Artículo publicado en 2013, por Pushek Madaan, habla sobre la importancia de las opciones para el control de motores disponibles para la operación confiable y protección de los mismos. Madaan clasifica el control en tres categorías: Control de velocidad Control de torque Protección de motor   

Dentro de dicho artículo, en la sección de control de velocidad, Pushek propone diversos sistemas modernos para el control de motores por medio de control a lazo cerrado. (Madaan, 2013)

27


Figura 19: Lazo de control de velocidad

2. Sistema de control de posición motor DC Inalámbrico: En este artículo se presenta una aplicación del sistema de control de posición al motor DC, en forma inalámbrica por medio de módulos Xbee. La identificación de la función de transferencia del sistema se realiza a partir de la adquisición de datos y el análisis del sistema de control ante perturbaciones y entradas de escalones pertinentemente excitados, obtenidos por el modelo físico y simulado. (Romero Acero, 2012)

Figura 20: Sistema de Control de Posición

3. Experimento didáctico del control de la velocidad de un motor de dc: El propósito de este artículo es investigar y reportar en un proyecto de laboratorio donde la velocidad de un motor de corriente directa es controlado en lazo cerrado, siendo los parámetros de control del sistema ajustados por el usuario de manera remota. Los experimentos de control sobre el dispositivo son manejados y transmitidos en línea por medio de una videoconferencia por internet, desde una planta localizada físicamente en el laboratorio de sistemas y automatización en la Universidad Católica Pontificia de Parana. (Bauer, Karine, Mendes, & Luciano, 2012)

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4. Aeropéndulo mecatrónico: Este artículo presenta un experimento de bajo costo para un curso de control para estudiantes de ingenierías no eléctricas. El arreglo conste de un motor DC eléctrico unido a un fin de un rodamiento ligero. El motor maneja dos aspas que permiten al rodamiento girar. La posición angular es medida por un potenciómetro unido a un punto pivote. La importancia de este artículo radica en una tarjeta de circuito diseñada a pedido la cual controla el voltaje de entrada del motor. (Enikov, 2012)

Figura 21: Sistema de Aeropéndulo

5. Experimentos de sistemas de control de bajo costo usando un control mediante microcontrolador: Esté artículo presenta experimentos de bajo costo para un módulo de laboratorio de sistemas. Los experimentos son organizados a través de control basado en microcontroladores para un motor DC de imanes permanentes. El software usado es primordialmente gratuito para uso académico, Su objetivo es que los estudiantes primerizos de un primer curso en teoría de sistemas de control, el cual los introduce a control PID. (Gunasekaran & Potluri , 2012) 6. Experimento de intercambiador de calor dinámico: En este documento se describe un intercambiador de calor que combina análisis de estado estable y control dinámico. Un flujo de agua procesada se hace circular a través de dos tubos en una coraza de intercambiadores de calor en serie. El análisis de estado estable involucra checar los balances de energía alrededor de ambos lados (frio y caliente) tras las medidas del rango de flujo. El análisis dinámico involucra retroalimentación de escalón como prueba para determinar la información dinámica experimental del sistema. (Luyben, Tuzla, & Bader, 2009) 7. Diseño de un sistema de control de lazo cerrado para un motor DC: Este artículo introduce el principio de control para un motor de corriente directa, restringiéndose a un sistema control por medio del PIC16F877 SCM para que sea el circuito de disparo, y que dé la tabla de flujo del

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programa. Establece las diversas ventajas incluyendo una estructura simple, sincronización con el sistema principal, desfase estable y suficiente rango de desfase y bajo costo. (Zhong, 2009) 8. Métodos de control de velocidad de varios tipos de motores: Este documento nos da una amplia explicación sobre los diferentes tipos de control para motores que existen, sin embargo la importancia para el presente radica en que trata con sistemas modernos de control, tales como control por salida, control inversor, control de motores tanto alternos como de corriente directa, etc. (Shirahata, 2008) 9. Diseño y análisis de sistemas de control digital: Libro dedicado enteramente al control digital, métodos y sistemas para compensadores y controladores, en su última revisión contiene ejemplos y sistemas de control actuales. Así como software que es ampliamente usado en sistemas de control. (Phillips, 2007) 10. Diseño e implementación de convertidores de alto poder y controladores de velocidad para control de motores DC: Artículo que describe el diseño e implementación de un convertidor de corriente directa a corriente de alto poder, usando circuitos de control analógico y control de un motor de corriente directa usando un TMS320F240 DSP. El control de velocidad a lazo cerrado se logra gracias al integrado mencionado anteriormente. La velocidad actual es comparada con su respectiva referencia para lograr el control en el motor. El hardware ha sido desarrollado y probado bajo condiciones de laboratorio. (Chinnaiyan, 2006) 11. Control Foto térmico de un microchip usando un láser infrarrojo: Documento el cual prueba que un dispositivo miniaturizado con un láser IR basado en un efecto foto térmico, es capaz de control rápido y direccionable de una reacción enzimática en un microchip bajo condiciones de flujo. Usando técnicas de temperatura espectroscópica sin contacto, se logra medir la temperatura y compararla con análisis de simulaciones numéricas. (Slyadnev, 2001)

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METODOLOGÍA EN CASCADA Debido a su estructura, la metodología elegida para este sistema es la denominada de cascada, la cual se compone de los siguientes puntos:

    

Análisis Diseño Implementación Pruebas Mantenimiento

A continuación se desglosan cada una de estas etapas y lo que se realizó en cada una de ellas. Análisis Se plantea el uso de control discreto mediante muestreo de datos para llevar a cabo un control de un motor de corriente directa, en base a la temperatura de un espacio cerrado, encontrando una manera eficaz de realización. Se determinó que mediante el método analítico de compensadores por medio de la transformada Z, es posible encontrar una función para un controlador que elimine el sobre impulso de nuestro sistema y que elimine el error en el mismo. Se observa que el sistema de encoder necesita un circuito integrado capaz de muestrear de manera rápida los valores del mismo, se opta por un integrado QRD1114, sin embargo, anticipándose a lo que pueda cambiar en el sistema se adquiere de igual manera un encoder para chasis de un mini robot. 





Figura 22: Sensor de proximidad QRD114

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Figura 23: Mini encoder



Es necesario tener un sensor lo suficientemente acertado para tener mediciones en tiempo real, se utiliza el integrado lm35.

Figura 24: Sensor de temperatura LM35

Para que el sistema opere como se quiere necesita una retroalimentación en cuanto a la velocidad actual del sistema. Lo que nos lleva a la utilización de un circuito convertidor de frecuencia a voltaje, para lograr esto se utiliza un integrado LM331.



Figura 25: Circuito Integrado LM331

32


Diseño Mediante un encoder y un sistema de tacómetro óptico se determinan la función de transferencia y la curva de Histéresis del sistema. 

Figura 26: Tacómetro Digital

Figura 27: Medición de la velocidad en base al voltaje

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Tabla 3: Valores obtenidos para tabla de histéresis

Voltaje (Volts)

Velocidad Ventilador (RPM)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.5 3.6 3.7 3.8 4 4.3 4.5 4.8 5 5.2 5.5 5.8 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12

0 0 0 0 0 0 565 592 631 647 687 720 731 792 844 873 907 938 1025 1090 1171 1215 1287 1350 1428 1513 1637 1745 1990 1998 2118 2178 2245 2312 2454 2496 2601 2685

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Gráfica de Histéresis (Subida) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

1

2 2.7 2.9 3.1 3.3 3.6 3.8 4.3 4.8 5.2 5.8 6.5 7.5 8.5 9.5 10.511.5 Figura 28: Gráfica de Histéresis de subida

Gráfica de Histéresis (Bajada) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 12 11 10

9

8

7

6 5.5 5 4.5 4 3.7 3.5 3.2 3 2.8 2.5 1.5 0.5

Figura 29: Gráfica de Histéresis de bajada



Se procede a determinar la función de transferencia del sistema mediante un convertidor de frecuencia a voltaje con un circuito integrado Lm331.

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Figura 30: Diagrama de circuito convertidor de Frecuencia a Voltaje

Figura 31: Circuito de Convertidor de Frecuencia a voltaje 

Al probar mediante el osciloscopio la gráfica de salida del sistema se obtuvo la siguiente imagen.

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Figura 32: Gráfica obtenida en osciloscopio correspondiente a la función de transferencia del sistema 

Los valores obtenidos, así como los datos revisados y corregidos se encuentran en el apartado de anexos. Se obtuvo la siguiente función de transferencia tras ingresar los datos corregidos al System Identification Tool o IDENT de MatLab.

Figura 33: Datos tomados por IDENT 

IDENT nos devuelve los siguientes datos.

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Figura 34: Gráficas de entrada y salida

Figura 35: Respuesta a la frecuencia 

Finalmente la función de transferencia obtenida queda:

Figura 36: Función de Transferencia 

Y el modelo de salida.

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Figura 37: Modelo de Salida 

Se realizan los cálculos para el compensador, primeramente se adecua la función que entregó IDENT a un modelo que podamos analizar, quedando de la siguiente manera:

    

Tras cálculos, se obtiene que el compensador queda de la siguiente manera (los cálculos pueden hallarse en la parte de anexos):

   () Implementación Implementación del microcontrolador al circuito realimentado. 

Figura 38: Conexión de microcontrolador al sistema y del lado izquierdo pantalla de información

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





Se construye un circuito mediante un TIP22 capaz de llevar la corriente de una fuente externa directamente al motor del ventilador, esto debido a que el sistema no es capaz de proveer por sí solo la corriente necesaria que requiere el motor. Se implementa una pantalla LCD con el fin de obtener datos sobre el sistema, más específicamente, la temperatura actual, la velocidad actual del ventilador, m(z) que consistiría en la ley general de control y finalmente el SET POINT que es manipulable por medio de los push buttons del sistema. Para evitar errores externos se implementa el mini encoder en la base del ventilador, de manera que se encuentre estático para así no tener errores en la lectura de los valores de frecuencia, velocidad y voltaje.

Figura 39: Sistema completo

Pruebas Se prueba un código para microcontrolador que permita el muestreo y eliminación de error en nuestro sistema. Por medio de un voltímetro se prueban las salidas del convertidor de frecuencia a voltaje, de manera que correspondan los valores de voltaje de salida a la velocidad actual del motor. Mediante osciloscopio se prueba que la salida del convertidor digital analógico devuelva valores en base al código del microcontrolador, de manera que tenga una variación consistente de voltaje. Se realizan una serie de pruebas relacionadas a diferentes SET POINT, de manera que se manipula manualmente mediante dos push buttons el 







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

mismo, uno para elevar el SET POINT y otro para reducirlo, obteniendo diferentes comportamientos del sistema Se prueba que el sistema funcione para enfriamiento, de manera que se establece un SET POINT más bajo al de la temperatura actual, en base a la diferencia gradual es la velocidad del sistema, con lo cual se comprueba el buen funcionamiento del sistema

Mantenimiento Revisión del correcto funcionamiento del sistema Se revisa que los componentes estén en buen estado, que no exista sobre calentamiento en ningún dispositivo y que no existan cortos en el sistema. Mediante un voltímetro digital se comprueban los valores de voltaje para cada una de las secciones del sistema. Cambio de circuito de encoder, debido a problemas de resolución en el sistema. Se opta por cambiar un circuito integrado DAC por un arreglo de resistencias para mejorar la respuesta. Mejoramiento del encoder en el motor para obtener una señal más clara.  









Figura 402: Cambio en el encoder

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PRUEBAS Y RESULTADOS 1. Obtención de la gráfica de histéresis mediante un tacómetro óptico. 2. Creación de un circuito de encoder con un convertidor de frecuencia a voltaje para obtener la función de transferencia del sistema.

Figura 413: Sensor óptico para obtención de valores de velocidad

En base a la gráfica obtenida y a la tabla de los valores de voltaje con respecto al tiempo obtención de la función de transferencia del sistema mediante software matlab y su System Identification Tool o IDENT.

Figura 424: Gráfica de función de transferencia del motor

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3. Cálculo de un compensador el cual controle la función que obtuvimos mediante método analítico. 4. Implementación de un circuito mediante un microcontrolador PIC18f452 con el cual se crea un código que lleve los valores del compensador mediante la ley de control. #include <18F452.h> #device 18f452*=16 ADC=8 #use delay(clock=4000000) #fuses XT,NOLVP, NOWDT, NOPROTECT,BROWNOUT, NODEBUG #include #byte porta=0xF80 #byte trisa=0xF92 #byte portb=0xF81 //directivas de memoria #byte trisb=0xF93 #byte portc=0xF82 #byte trisc=0xF94 #byte portd=0xF83 #byte trisd=0xF95 #byte porte=0xF84 #byte trise=0xF96 float temp=0; float m_z=0 ,sp=25 ,e_k=0, e_k_1=0, m_z_1=0, vel=0; //el error y la ley de control anteriores a t=0 son 0 float kp=0.002044; float a2=0.4911; float pol_dom=0.9496; void leetemp(void); void control (void); void lcd (void); void setpoint (void); void main() { //1=IN 0=OUT set_tris_a(0xFF); // in set_tris_b(0x00); set_tris_c(0x00); // como utilizo el puerto serial no uso el puerto c por que causa problemas

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set_tris_d(0x00); // SALIDA LCD set_tris_e(0xFF); // in porta=0; portb=0; portc=0; // como utilizo el puerto serial no uso el puerto c por que causa problemas portd=0; porte=0; // setup_port_a(AN1_ANALOG); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); SETUP_ADC_PORTS(AN0_AN1_VREF_VREF ); // Vref+ = 2.56v Vref- =0 //set_adc_channel(0); delay_us(20); //enable_interrupts(global); //enable_interrupts(int_rda); lcd_init();

while (true) { setpoint(); leetemp(); control(); lcd(); portb=m_z; }

} void leetemp() { set_adc_channel(0); delay_us(20); //espera necesaria al cambiar de canal temp= read_adc(); delay_ms(50); // delay para end of conversion //a=(5*vin)/256; //(2.56 - 0)/256= 10 mv. set_adc_channel(1); delay_us(20); //espera necesaria al cambiar de canal

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vel= read_adc(); //lees el canal 1 delay_ms(50); // delay para end of conversion if(vel<52) { vel=0; } else { if(vel>=250) { vel=2685; } else { vel=((vel*2000)/255); } } }

void control () { if(sp>temp) { //e_k=sp-vin; //el error es igual a la temperatura deseada menos la actual //m_z=((kp*e_k)+(pol_dom*kp*e_k_1)- (a2*m_z_1)); //ley de control para proporcional m_z=0; //estamos en la temperatura adecuada e_k=0; //el error es 0 } if(sp
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m_z=0; //estamos en la temperatura adecuada e_k=0; //el error es 0 } m_z_1=m_z; // se guarda esta muestra que sera tomada como la muestra anterior la siguiente muestra e_k_1=e_k; // error anterior } void lcd() { lcd_init(); printf(lcd_putc,"Temperatura=%f \nVelocidad=%f \nM(z)=%f \nSP=%f ",temp,vel,m_z,sp); //sin signo u //printf(lcd_putc,"Temp=%f \nSP=%f ",vin,sp); //sin signo u }

void setpoint() { if (porte==1) { sp=(sp-1); delay_ms(50); } if (porte==2) { sp=(sp+1); delay_ms(50); } } 5. Implementación de un convertidor digital analógico, con el fin de obtener un variador de velocidades para el motor, mediante una variación de voltaje a la salida del PIC.

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Figura 435: Arreglo de resistencias para convertidor digital analógico

Pruebas: • Obtención de la gráfica de histéresis • Comprobación del sistema de conversión de frecuencia a voltaje • Prueba del sistema de control mediante el microcontrolador • Prueba fallida con DAC en circuito integrado • Prueba del circuito DAC construido mediante resistencias • Prueba de disminución en la temperatura de un circuito integrado lm35 con los valores de compensador dados Resultados: El sistema responde mediante cambios en la velocidad de un ventilador en base a la señal recibida de un integrado lm35. El dispositivo aumenta la velocidad en caso de que el sistema aumente la temperatura con el fin de enfriarlo. Se tienen dos botones de control para el SET POINT al que se desea el sistema uno para aumentarlo y otro para reducirlo. Si el SET POINT del sistema está por debajo de la temperatura actual, esto es, que el sistema está a una temperatura mayor de la deseada, entonces el sistema aumenta la velocidad para llegar a dicho SET POINT, al alcanzarla, el sistema desactiva el ventilador.

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El sistema sólo opera como un sistema de enfriamiento, al tener un SET POINT mayor a la temperatura actual, es decir, que el sistema está a una temperatura más baja de la deseada, el sistema se mantiene pasivo e inmóvil.

Figura 446: Diagrama del Circuito completo

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CONCLUSIONES Dentro de los sistemas de regulación de temperatura los cuales con bastamente amplios, el uso de ventiladores para dirigir el flujo de aire se considera básico, y no hay una instalación, hogar u oficina que no ocupe en alguna parte uno de éstos. El presente proyecto se pretende que sirva como una guía y como un apoyo para el usuario que desee conocer un poco más sobre el control de sistemas de ventilación mediante un microcontrolador, pero utilizando un tipo de control (Discreto) que nos permita elevar la eficiencia del sistema, llevándolo a un estado estable de manera rápida y sin esfuerzo. Si bien los dispositivos de acondicionamiento de instalaciones son muy fáciles de implementar y de controlar de manera tradicional, un sistema de control discreto puede mejorar sustancialmente el funcionamiento del mismo, las dificultades que podrían suscitarse sin embargo, son la alta gama de competencia en el mercado, así como la falta de interés en tecnologías nuevas para sistemas como este. En cuanto a los fabricantes de sistemas de ventilación, se observa que existe una ausencia de información en base a sistemas de control, limitándose a mostrar la aplicación de los mismos. No hay que olvidar que al implementar dispositivos de esta índole es muy importante considerar el lugar, el gasto de energía, la eficacia y eficiencia y el tiempo de vida; cosas que no están directamente relacionadas a la aplicación puesto que la locación es un punto muy importante. Por lo tanto el presente trabajo busca poder al menos en el área de ventiladores a chorro direccionados, ser un antecedente que se pueda consultar para tener una referencia a dichos sistemas, sin limitarse al uso en sistemas de ventilación, dado que una gran parte de la información utilizada en el trabajo es de índole de control de motores, por lo que la aplicación puede variar y sólo es cuestión de enfocar el sistema a dicha actividad. Solamente al tener el sistema terminado se puede observar las ventajas que brinda, tales como: Tiempo de vida: Debido a que la activación del sistema se realiza de manera automática y sólo cuando se requiere. Ahorro de energía: Puesto que cuando el sistema necesita hacer cambios pequeños reacciona con velocidades pequeñas, de manera que no existe un desperdicio Eficiencia: Puesto que al necesitar una activación rápida y brusca el sistema actúa de manera inmediata y con máxima potencia en caso de ser necesario. 





Para finalizar, este sistema, si bien fue dirigido a sistemas de ventilación con control por temperatura, tiene una infinidad de aplicaciones, desde proyectos, arreglos a sistemas ya hechos, mejoramiento de instalaciones, control de motores en general entre otras. Su utilización puede difundirse en diversas áreas y en diversos estratos.

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ANEXOS Tabla 4: Datos obtenidos de gráfica de función de transferencia Columna 1

CH1

CH2

-9.64E+00

-2.00E-01

2.00E-01

-7.96E+00

4.00E-01

2.00E-01

Second

Volt

Volt

-9.60E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-7.92E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-1.12E+01

4.00E-01

-4.00E-01

-9.56E+00

0.00E+00

2.00E-01

-7.88E+00

4.00E-01

2.00E-01

-1.12E+01

-2.00E-01

4.00E-01

-9.52E+00

-2.00E-01

-2.00E-01

-7.84E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-1.11E+01

0.00E+00

-2.00E-01

-9.48E+00

4.00E-01

2.00E-01

-7.80E+00

-2.00E-01

2.00E-01

-1.11E+01

4.00E-01

2.00E-01

-9.44E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-7.76E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-1.10E+01

2.00E-01

-2.00E-01

-9.40E+00

0.00E+00

2.00E-01

-7.72E+00

-2.00E-01

2.00E-01

-1.10E+01

-2.00E-01

2.00E-01

-9.36E+00

-2.00E-01

-2.00E-01

-7.68E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-1.10E+01

-2.00E-01

-2.00E-01

-9.32E+00

4.00E-01

2.00E-01

-7.64E+00

0.00E+00

2.00E-01

-1.09E+01

4.00E-01

2.00E-01

-9.28E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-7.60E+00

0.00E+00

2.00E-01

-1.09E+01

4.00E-01

-2.00E-01

-9.24E+00

4.00E-01

2.00E-01

-7.56E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-1.08E+01

-2.00E-01

2.00E-01

-9.20E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-7.52E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-1.08E+01

-2.00E-01

-2.00E-01

-9.16E+00

4.00E-01

2.00E-01

-7.48E+00

4.00E-01

2.00E-01

-1.08E+01

4.00E-01

2.00E-01

-9.12E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-7.44E+00

4.00E-01

2.00E-01

-1.07E+01

0.00E+00

-2.00E-01

-9.08E+00

-2.00E-01

2.00E-01

-7.40E+00

-2.00E-01

-2.00E-01

-1.07E+01

4.00E-01

2.00E-01

-9.04E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-7.36E+00

2.00E-01

-2.00E-01

-1.06E+01

0.00E+00

-2.00E-01

-9.00E+00

4.00E-01

4.00E-01

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-2.00E-01

2.00E-01

-1.06E+01

4.00E-01

2.00E-01

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4.00E-01

-2.00E-01

-7.28E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-1.06E+01

0.00E+00

-2.00E-01

-8.92E+00

0.00E+00

4.00E-01

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4.00E-01

2.00E-01

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4.00E-01

4.00E-01

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0.00E+00

-2.00E-01

-7.20E+00

0.00E+00

0.00E+00

-1.05E+01

4.00E-01

-2.00E-01

-8.84E+00

4.00E-01

2.00E-01

-7.16E+00

4.00E-01

-4.00E-01

-1.04E+01

-2.00E-01

2.00E-01

-8.80E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-7.12E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-1.04E+01

0.00E+00

-2.00E-01

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0.00E+00

2.00E-01

-7.08E+00

4.00E-01

4.00E-01

-1.04E+01

4.00E-01

2.00E-01

-8.72E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-7.04E+00

0.00E+00

0.00E+00

-1.03E+01

-2.00E-01

-2.00E-01

-8.68E+00

-2.00E-01

2.00E-01

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4.00E-01

-2.00E-01

-1.03E+01

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2.00E-01

-8.64E+00

4.00E-01

4.00E-01

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4.00E-01

-2.00E-01

-1.02E+01

0.00E+00

2.00E-01

-8.60E+00

-2.00E-01

-2.00E-01

-6.92E+00

-2.00E-01

2.00E-01

-1.02E+01

4.00E-01

-2.00E-01

-8.56E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-6.88E+00

4.00E-01

2.00E-01

-1.02E+01

4.00E-01

-2.00E-01

-8.52E+00

4.00E-01

2.00E-01

-6.84E+00

-2.00E-01

-2.00E-01

-1.01E+01

-2.00E-01

2.00E-01

-8.48E+00

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-2.00E-01

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4.00E-01

-2.00E-01

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0.00E+00

-2.00E-01

-8.44E+00

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2.00E-01

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0.00E+00

2.00E-01

-1.00E+01

6.00E-01

2.00E-01

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0.00E+00

-2.00E-01

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0.00E+00

2.00E-01

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4.00E-01

-2.00E-01

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4.00E-01

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2.00E-01

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-2.00E-01

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0.00E+00

-2.00E-01

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4.00E-01

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4.00E-01

-2.00E-01

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0.00E+00

-2.00E-01

-6.56E+00

4.00E-01

0.00E+00

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4.00E-01

-2.00E-01

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4.00E-01

2.00E-01

-6.52E+00

-2.00E-01

-2.00E-01

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0.00E+00

2.00E-01

-8.16E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-6.48E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-9.76E+00

0.00E+00

-2.00E-01

-8.12E+00

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2.00E-01

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2.00E-01

-9.72E+00

4.00E-01

0.00E+00

-8.08E+00

0.00E+00

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-2.00E-01

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50


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-2.00E-01

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2.00E-01

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-2.00E-01

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-5.52E+00

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-2.00E-01

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-4.00E-01

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4.00E-01

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4.00E-01

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0.00E+00

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4.00E-01

-2.00E-01

-1.56E+00

0.00E+00

2.00E-01

-5.12E+00

-2.00E-01

-2.00E-01

-3.32E+00

-2.00E-01

2.00E-01

-1.52E+00

4.00E-01

-2.00E-01

-5.08E+00

4.00E-01

2.00E-01

-3.28E+00

2.00E-01

0.00E+00

-1.48E+00

0.00E+00

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-2.00E-01

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-2.00E-01

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4.00E-01

2.00E-01

-3.20E+00

0.00E+00

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4.00E-01

2.00E-01

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4.00E-01

-2.00E-01

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-2.00E-01

2.00E-01

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-2.00E-01

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0.00E+00

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0.00E+00

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1.14E+01

1.20E+01

5.64E+00

1.18E+01

1.16E+01

7.44E+00

1.14E+01

1.20E+01

9.24E+00

1.18E+01

1.16E+01

5.68E+00

1.14E+01

1.20E+01

7.48E+00

1.18E+01

1.16E+01

9.28E+00

1.18E+01

1.20E+01

5.72E+00

1.18E+01

1.16E+01

7.52E+00

1.14E+01

1.20E+01

9.32E+00

1.14E+01

1.16E+01

5.76E+00

1.14E+01

1.20E+01

7.56E+00

1.18E+01

1.18E+01

9.36E+00

1.18E+01

1.20E+01

5.80E+00

1.20E+01

1.14E+01

7.60E+00

1.14E+01

1.20E+01

9.40E+00

1.12E+01

1.16E+01

5.84E+00

1.14E+01

1.20E+01

7.64E+00

1.18E+01

1.16E+01

9.44E+00

1.12E+01

1.20E+01

5.88E+00

1.18E+01

1.18E+01

7.68E+00

1.14E+01

1.20E+01

9.48E+00

1.18E+01

1.16E+01

5.92E+00

1.14E+01

1.20E+01

7.72E+00

1.18E+01

1.16E+01

9.52E+00

1.14E+01

1.20E+01

5.96E+00

1.18E+01

1.14E+01

7.76E+00

1.14E+01

1.16E+01

9.56E+00

1.20E+01

1.16E+01

6.00E+00

1.14E+01

1.20E+01

7.80E+00

1.18E+01

1.22E+01

9.60E+00

1.14E+01

1.20E+01

6.04E+00

1.18E+01

1.16E+01

7.84E+00

1.14E+01

1.20E+01

9.64E+00

1.18E+01

1.16E+01

6.08E+00

1.14E+01

1.20E+01

7.88E+00

1.18E+01

1.16E+01

9.68E+00

1.18E+01

1.20E+01

6.12E+00

1.18E+01

1.14E+01

7.92E+00

1.14E+01

1.20E+01

9.72E+00

1.14E+01

1.16E+01

6.16E+00

1.14E+01

1.22E+01

7.96E+00

1.20E+01

1.16E+01

9.76E+00

1.14E+01

1.20E+01

6.20E+00

1.18E+01

1.16E+01

8.00E+00

1.14E+01

1.16E+01

9.80E+00

1.18E+01

1.16E+01

6.24E+00

1.14E+01

1.22E+01

8.04E+00

1.18E+01

1.20E+01

9.84E+00

1.14E+01

1.18E+01

6.28E+00

1.18E+01

1.16E+01

8.08E+00

1.14E+01

1.16E+01

9.88E+00

1.18E+01

1.20E+01

53


9.92E+00

1.14E+01

1.18E+01

1.09E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.19E+01

1.14E+01

1.20E+01

9.96E+00

1.18E+01

1.22E+01

1.10E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.20E+01

1.18E+01

1.14E+01

1.00E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.10E+01

1.12E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.00E+01

1.12E+01

1.22E+01

1.10E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.20E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.01E+01

1.14E+01

1.16E+01

1.11E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.21E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.01E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.11E+01

1.18E+01

1.14E+01

1.21E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.02E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.12E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.22E+01

1.14E+01

1.18E+01

1.02E+01

1.18E+01

1.14E+01

1.12E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.22E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.02E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.12E+01

1.14E+01

1.16E+01

1.22E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.03E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.13E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.23E+01

1.20E+01

1.16E+01

1.03E+01

1.16E+01

1.18E+01

1.13E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.23E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.04E+01

1.14E+01

1.22E+01

1.14E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.24E+01

1.12E+01

1.16E+01

1.04E+01

1.14E+01

1.16E+01

1.14E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.24E+01

1.14E+01

1.16E+01

1.04E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.14E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.24E+01

1.18E+01

1.22E+01

1.05E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.15E+01

1.12E+01

1.16E+01

1.25E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.05E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.15E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.25E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.06E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.16E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.26E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.06E+01

1.18E+01

1.14E+01

1.16E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.26E+01

1.16E+01

1.16E+01

1.06E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.16E+01

1.18E+01

1.14E+01

1.26E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.07E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.17E+01

1.14E+01

1.16E+01

1.27E+01

1.18E+01

1.16E+01

1.07E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.17E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.27E+01

1.14E+01

1.18E+01

1.08E+01

1.18E+01

1.18E+01

1.18E+01

1.14E+01

1.18E+01

1.28E+01

1.18E+01

1.22E+01

1.08E+01

1.14E+01

1.14E+01

1.18E+01

1.18E+01

1.20E+01

1.08E+01

1.18E+01

1.22E+01

1.18E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.09E+01

1.14E+01

1.20E+01

1.19E+01

1.18E+01

1.16E+01

Tabla 5: Datos corregidos de función de transferencia Columna1

Second

Columna2

Columna3

CH1

CH2

Volt

Volt

Columna4

Columna5

-1.12E+01

0.00E+00

0.00E+00

0

0

-1.12E+01

4.00E-01

9.80E+00

9.639344262

0.406779661

-1.11E+01

2.00E-01

1.06E+01

10.42622951

0.203389831

-1.11E+01

6.00E-01

1.18E+01

11.60655738

0.610169492

-1.10E+01

6.00E-01

1.14E+01

11.21311475

0.610169492

-1.10E+01

1.60E+00

1.20E+01

11.80327869

1.627118644

-1.10E+01

1.40E+00

1.14E+01

11.21311475

1.423728814

-1.09E+01

2.40E+00

1.20E+01

11.80327869

2.440677966

-1.09E+01

2.20E+00

1.14E+01

11.21311475

2.237288136

-1.08E+01

3.40E+00

1.22E+01

12

3.457627119

-1.08E+01

3.20E+00

1.20E+01

11.80327869

3.254237288

-1.08E+01

4.20E+00

1.14E+01

11.21311475

4.271186441

-1.07E+01

4.00E+00

1.20E+01

11.80327869

4.06779661

-1.07E+01

4.80E+00

1.14E+01

11.21311475

4.881355932

54


-1.06E+01

4.80E+00

1.20E+01

11.80327869

4.881355932

-1.06E+01

5.60E+00

1.14E+01

11.21311475

5.694915254

-1.06E+01

5.40E+00

1.20E+01

11.80327869

5.491525424

-1.05E+01

6.40E+00

1.14E+01

11.21311475

6.508474576

-1.05E+01

6.20E+00

1.20E+01

11.80327869

6.305084746

-1.04E+01

7.00E+00

1.16E+01

11.40983607

7.118644068

-1.04E+01

6.60E+00

1.20E+01

11.80327869

6.711864407

-1.04E+01

7.40E+00

1.16E+01

11.40983607

7.525423729

-1.03E+01

7.00E+00

1.16E+01

11.40983607

7.118644068

-1.03E+01

7.80E+00

1.22E+01

12

7.93220339

-1.02E+01

7.80E+00

1.20E+01

11.80327869

7.93220339

-1.02E+01

8.40E+00

1.14E+01

11.21311475

8.542372881

-1.02E+01

8.20E+00

1.20E+01

11.80327869

8.338983051

-1.01E+01

8.60E+00

1.14E+01

11.21311475

8.745762712

-1.01E+01

8.40E+00

1.20E+01

11.80327869

8.542372881

-1.00E+01

9.00E+00

1.14E+01

11.21311475

9.152542373

-1.00E+01

8.60E+00

1.20E+01

11.80327869

8.745762712

-9.96E+00

9.20E+00

1.16E+01

11.40983607

9.355932203

-9.92E+00

9.20E+00

1.20E+01

11.80327869

9.355932203

-9.88E+00

9.80E+00

1.16E+01

11.40983607

9.966101695

-9.84E+00

9.40E+00

1.20E+01

11.80327869

9.559322034

-9.80E+00

1.00E+01

1.16E+01

11.40983607

10.16949153

-9.76E+00

9.40E+00

1.20E+01

11.80327869

9.559322034

-9.72E+00

1.00E+01

1.16E+01

11.40983607

10.16949153

-9.68E+00

9.80E+00

1.16E+01

11.40983607

9.966101695

-9.64E+00

1.04E+01

1.20E+01

11.80327869

10.57627119

-9.60E+00

9.80E+00

1.20E+01

11.80327869

9.966101695

-9.56E+00

1.04E+01

1.16E+01

11.40983607

10.57627119

-9.52E+00

1.00E+01

1.20E+01

11.80327869

10.16949153

-9.48E+00

1.06E+01

1.18E+01

11.60655738

10.77966102

-9.44E+00

1.04E+01

1.20E+01

11.80327869

10.57627119

-9.40E+00

1.08E+01

1.16E+01

11.40983607

10.98305085

-9.36E+00

1.08E+01

1.20E+01

11.80327869

10.98305085

-9.32E+00

1.04E+01

1.14E+01

11.21311475

10.57627119

-9.28E+00

1.06E+01

1.22E+01

12

10.77966102

-9.24E+00

1.10E+01

1.16E+01

11.40983607

11.18644068

-9.20E+00

1.06E+01

1.20E+01

11.80327869

10.77966102

-9.16E+00

1.10E+01

1.16E+01

11.40983607

11.18644068

-9.12E+00

1.06E+01

1.20E+01

11.80327869

10.77966102

-9.08E+00

1.12E+01

1.18E+01

11.60655738

11.38983051

-9.04E+00

1.06E+01

1.20E+01

11.80327869

10.77966102

-9.00E+00

1.14E+01

1.16E+01

11.40983607

11.59322034

-8.96E+00

1.14E+01

1.22E+01

12

11.59322034

-8.92E+00

1.06E+01

1.16E+01

11.40983607

10.77966102

-8.88E+00

1.08E+01

1.20E+01

11.80327869

10.98305085

55


-8.84E+00

1.14E+01

1.16E+01

11.40983607

11.59322034

-8.80E+00

1.14E+01

1.22E+01

12

11.59322034

-8.76E+00

1.10E+01

1.16E+01

11.40983607

11.18644068

-8.72E+00

1.14E+01

1.16E+01

11.40983607

11.59322034

-8.68E+00

1.08E+01

1.22E+01

12

10.98305085

-8.64E+00

1.12E+01

1.20E+01

11.80327869

11.38983051

-8.60E+00

1.16E+01

1.16E+01

11.40983607

11.79661017

-8.56E+00

1.14E+01

1.20E+01

11.80327869

11.59322034

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Figura 45: Cálculo de compensador en base a función de transferencia obtenida

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Tabla 6 Cronograma de Actividades:

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Ventilador Impulsor___________________________________________________ 12 Figura 2: Ventilador extractor __________________________________________________ 13 Figura 3: Impulsor-Extractor ___________________________________________________ 13 Figura 4: Ventilador Mural _____________________________________________________ 13 Figura 5: Ventilador de Chorro __________________________________________________ 14 Figura 6: Álabes Radiales ______________________________________________________ 14 Figura 7: Álabes Hacia Adelante ________________________________________________ 14 Figura 8: Álabes Hacia Atrás ___________________________________________________ 14 Figura 9: Ventilador de Perfil Delgado ____________________________________________ 15 Figura 10: Ventilador de Perfil Sustentador ________________________________________ 15 Figura 11: Helicocentrífugo ____________________________________________________ 15 Figura 12: Tangencial _________________________________________________________ 15 Figura 13: Ventilador de Baja Presión ____________________________________________ 16 Figura 14: Ventilador de Mediana Presión _________________________________________ 16 Figura 15: Ventilador de Alta Presión_____________________________________________ 16 Figura 16: Regulador Electrónico de velocidad _____________________________________ 17 Figura 17: Ventilador con Compuertas ___________________________________________ 17 Figura 18: Ventilador con Álabes de inclinación variable _____________________________ 18 Figura 19: Lazo de control de velocidad ___________________________________________ 27 Figura 20: Sistema de Control de Posición _________________________________________ 27 Figura 21: Sistema de Aeropéndulo ______________________________________________ 28 Figura 22: Sensor de proximidad QRD114 _________________________________________ 30 Figura 23: Mini encoder _______________________________________________________ 31 Figura 24: Sensor de temperatura LM35 __________________________________________ 31 Figura 25: Circuito Integrado LM331 _____________________________________________ 31 Figura 26: Tacómetro Digital ___________________________________________________ 32 Figura 27: Medición de la velocidad en base al voltaje _______________________________ 32 Figura 28: Gráfica de Histéresis de subida _________________________________________ 34 Figura 29: Gráfica de Histéresis de bajada_________________________________________ 34 Figura 30: Diagrama de circuito convertidor de Frecuencia a Voltaje ____________________ 35 Figura 31: Circuito de Convertidor de Frecuencia a voltaje ____________________________ 35 Figura 32: Gráfica obtenida en osciloscopio correspondiente a la función de transferencia del sistema ____________________________________________________________________ 36 Figura 33: Datos tomados por IDENT _____________________________________________ 36 Figura 34: Gráficas de entrada y salida ___________________________________________ 37 Figura 35: Respuesta a la frecuencia _____________________________________________ 37 Figura 36: Función de Transferencia _____________________________________________ 37 Figura 37: Modelo de Salida____________________________________________________ 38 Figura 38: Conexión de microcontrolador al sistema y del lado izquierdo pantalla de información ________________________________________________________________ 38 Figura 39: Sistema completo ___________________________________________________ 39 Figura 402: Cambio en el encoder _______________________________________________ 40 Figura 413: Sensor óptico para obtención de valores de velocidad ______________________ 41 Figura 424: Gráfica de función de transferencia del motor ____________________________ 41 Figura 435: Arreglo de resistencias para convertidor digital analógico __________________ 46 Figura 446: Diagrama del Circuito completo _______________________________________ 47 Figura 45: Cálculo de compensador en base a función de transferencia obtenida __________ 57

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Ventajas y desventajas entre controladores analógicos y digitales _______________ 23 Tabla 2: Principales referencias actuales al tema ___________________________________ 26 Tabla 3: Valores obtenidos para tabla de histéresis _________________________________ 33 Tabla 4: Datos obtenidos de gráfica de función de transferencia _______________________ 49 Tabla 5: Datos corregidos de función de transferencia _______________________________ 53 Tabla 6 Cronograma de Actividades: _____________________________________________ 58

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BIBLIOGRAFÍA 1. Aracil Santoja, R. (1980). Sistemas Discretos de Control. Madrid: Universidad Politécnica de Madrid. 2. Aravena, E. (-). Trabajo de Ventilación. 3. Åström, K. J. (1984). Computer Controlled Systems. Theory and Design. Prentice Hall. 4. Bauer, Karine, Mendes, & Luciano. (2012). WebLab of a DC motor speed control didactical experiment. Campus-Wide Information Systems , 281-290. 5. Chinnaiyan, V. K. (2006). Design and implementation of high power DC-DC converter and speed control of DC motor using TMS320F240 DSP. IEEE Xplore, 388-392. 6. Enikov, E. (2012). Mechatronic Aeropendulum: Demonstration of Linear and Nonlinear Feedback Control Principles . IEEE Xplore. 7. González Toro, C. (2011). La Temperatura. En C. González Toro, Monitoreo de la calidad del Agua. 8. Gunasekaran, M., & Potluri , R. (2012). Low-Cost Undergraduate Control Systems Experiments Using Microcontroller-Based Control of a DC Motor. IEEE Transactions on Education, 508-516. 9. Isermann, R. (1981). Digital Control Systems. Springer Verlag. 10. Luyben, W. L., Tuzla, K., & Bader, P. N. (2009). Winter 2009. Obtenido de Combined Steady-State and Dynamic Heat Exchanger Experiment: http://www.che.ufl.edu/cee/Journals/Winter%202009%20v43.1/Luyben431.html 11. Madaan, P. (2013). Brushless DC Motors--Part II: Control Principles. EDN Network . 12. Nimbus. (2008). Weather . Obtenido de http://200.58.146.28/nimbus/weather/pdf/cap3.pdf 13. Phillips, C. (2007). Digital control system analysis and design. Prentice Hall. 14. Proakis, J. G., & Manolakis, D. (1998). Digital Signal Processing: Principles,. Prentice Hall. 15. Romero Acero, Á. (2012). Ingeniería Aplicada. Obtenido de http://alvarounal.blogspot.mx/2012/02/sistema-de-control-de-posicion-motordc.html 16. Shirahata, K. (2008). Speed Control Methods of Various Types of Speed Control Motors. 17. Slyadnev, M. N. (2001). Photothermal Temperature Control of a Chemical Reaction on a Microchip Using an Infrared Diode Laser. ACS Publications. 18. Soler, & Palau. (2012). Manual Práctico de Ventilación. España.

Campuzano Sánchez Agustín-Martínez Gómez Marcos Iram.docx

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