FORMATO DE GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO / TALLERES / CENTROS DE SIMULACIÓN – PARA DOCENTES
CARRERA: CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA NRO. PRÁCTICA: PRÁCTICA:
ASIGNATURA: ASIGNATURA: TEORÍA DE CONTROL III
TÍTULO PRÁCTICA: PRÁCTICA: IDENTIFICACIÓN DE LA PLANTA DE UN MOTOR – GENERADOR DC CON MICROCONTROLADOR Y MyDAQ OBJETIVO GENERAL: Comparar la respuesta del Sistema de Adquisición de Datos con Microcontrolador y la Tarjeta MyDaq de National Instruments. OBJETIVO ESPECÍFICO: 1. Obtener la señal de respuesta del Motor - Generador DC LabVolt, con el sistema de adquisición de datos implementado en la práctica con Microcontrolador, utilizando una aplicación en LabView. 2. Obtener la señal de respuesta del Motor - Generador DC LabVolt, con el sistema de adquisición de datos de la Tarjeta MyDaq de National Instruments, utilizando una aplicación en LabView. 3. Comparar las dos señales, justificando técnicamente las diferencias encontradas. 4. Obtener al menos dos modelos de la planta para cada caso, Microcontrolador / MyDaq. 5. Simular los modelos en el Toolbox Simulink de Matlab. 6. Establecer criterios técnicos y/o conclusiones. INSTRUCCIONES: INSTRUCCIONES: 1. Diseñe, arme arme y compruebe el funcionamiento de una conversión analógica-digital de un microcontrolador, con resolución m ínima a 10 bits para el grupo Motor – Generador DC LabVolt. 2. Diseñe, arme arme y compruebe el funcionamiento de la comunicación serial USB y como mínimo comunicación RS232 a 115 Kbps. Para el grupo Motor – Generador DC LabVolt. 3. Obtenga las señales – respuesta del Motor – Generador con el Microcontrolador y luego o paralelamente con la T arjeta MyDaq por medio de una aplicación en LabView, registrando y comparando los resultados. 4. Determine al al menos dos modelos de la planta para cada caso Microcontrolador / MyDaq y compare los modelos. 5. Simule los modelos modelos obtenidos y compare los resultados. 6. Elabore un informe con los resultados, cálculos, análisis, gráficas y marco teórico, requeridos para el desarrollo de la práctica. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR 02
1. MARCO TEÓRICO: 1.1. CARACTERÍSTICAS DEL MICROCONTROLADOR PIC18FXXXX (Aquí (Aquí se debe investigar sobre el microcontrolador utilizado) 1.2. CARACTERÍSTICAS DE LA TARJETA MYDAQ DE NATIONAL INSTRUMENTS
Figure 1. NI myDAQ. [3]
NI MyDAQ es una tarjeta de adquisición de datos portátil de bajo costo (DAQ) este Dispositivo utiliza la plataforma NI LabVIEW basado en los instrumentos de software, permitiendo a los estudiantes medir y analizar las señ ales del mundoreal.NI MyDAQ es ideal para explorar electrónica y tomar medidas de sensores, Combinado con NI LabVIEW en el PC, los estudiantes pueden analizar y procesarlas señales adquiridas y mantener control de procesos sencillos en cualquier momento y lugar. [3]
Figure 2. NI MyDAQ hardware diagrama de bloques. [3]
Entrada Analógica (AI) - Hay dos canales de entrada analógica de NI MyDAQ. - Las entradas entradas analógicas son multiplexadas, es decir, decir, una sola convierte de analógico a digital (ADC) se utiliza para probarlos dos canales. - En Modo Modo de uso uso general, puede puede llegar a medir hasta ± 10V señales. [3] Salida Analógica (AO) - Hay dos canales de salidas analógicas del NI myDAQ. - Estos canales pueden configurarse como la tensión de salida de propósito general general o de salida de audio. - En el modo de uso general, puede generar generar hasta ± 10 V de señales. señales. [3] Entradas / Salidas Digitales (DIO) - Hay ocho E / S digital (DIO) líneas en NI myDAQ. - Cada línea es una Interfaz de funciones programables (PFI), (PFI), lo que significa que se puede configurar como un software de propósito general-tiempo de entrada o salida digital, o puede actuar como una entrada de funciones especiales o de salida para un contador digital. [3] Fuentes de alimentación - Hay tres fuentes de alimentación disponibles para su uso en NI myDAQ ± 15V y se pueden utilizar para los componentes analógicos de potencia, tales como amplificadores operativos y reguladores lineales. [3] 1.3. MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN DE PROCESOS El control de un proceso implica la utilización de una serie de sensores, según la variable a controlar, para poder obtener información del proceso en tiempo real. De esta forma, se puede obtener un valor del error existente entre la señal de referencia o consigna y el valor real de la variable, este tipo de configuración se denomina control en bucle cerrado. [4]
Figure 3. Diagrama de bloques bucle cerrado. [4]
Actualmente, existen dispositivos compactos para controlar procesos industriales, por ejemplo: controladores de temperatura, control de velocidad de un motor, etc. Además, estos dispositivos de control disponen de un autoajuste una vez insertados en el proceso, que permiten ajustar los parámetros del controlador de forma automática. Sin embargo, no siempre se obtiene un correcto funcionamiento del proceso con este autoajuste, este es el momento de diseñar el controlador de forma analítica. Previamente al diseño del controlador, es necesario identificar el proceso, para ello se pueden aplicar varios métodos experimentales de identificación. [4] 1.3.1. PRIMER ORDEN La respuesta típica de estos sistemas no presenta sobreoscilación, esto quiere decir que nunca llegan al valor exacto de la consigna y por lo tanto, son sistemas relativamente lentos. Por ejemplo: el calentamiento de un horno. [4]
Figure 4. Sistema de 1er orden puro. [4]
1.3.2. SEGUNDO ORDEN La mayoría de los sistemas industriales se comportan como un sistema de este tipo, en el cual posteriormente el control pretende limitar parámetros como la sobreoscilacion, tiempo de establecimiento y error en régimen permanente. [4]
Figure 5. Respuesta 2º orden estándar. [4]
1.3.3. ORDEN SUPERIOR Para efecto de los métodos de sintonización de controladores, usualmente se requiere que los sistemas sobreamortiguados de orden superior: - Métodos de la tangente (Miller, Ziegler y Nichols) - Métodos de dos puntos (Alfaro, Bröida, Chen y Yan, Ho, Smith, Vitecková) - Métodos de tres puntos (Jahanmiri y Fallanhi, Stark) - Métodos de Strejc - Método de las áreas características de Nishikawa La curva de reacción del proceso se obtiene mediante una prueba de lazo abierto con el controlador manual y el sistema situados en el punto de operación deseado. En estas condiciones se aplica un cambio de escalón en la salida de controlador y se registra esta señal y la de salida del proceso, desde el instante en que se aplicó el escalón de entrada hasta que el sistema alcance un nuevo punto de operación estable, si este es un proceso autoregulado. [4]
Figure 6. Método de la tangente. [4]
2. DISEÑO Y CÁLCULOS:
Figure 7. Figure 7. ADC Converter
2.1. DIAGRAMAS ELÉCTRICOS Para obtener la respuesta de la planta se diseñó el VI, esperando obtener una respuesta de Primer Orden (Figura 4). Para lo cual se desarrolla un VI para envío de datos a través del puerto USB y graficarlo.
Figure 8. VI Obtención de la Respuesta del Sistema Con PIC 18F4550
Para comprobar, usamos dos bloques del controlador de la DAQ, uno está configurado para obtener los datos por medio del canal analógico, mientras que otro está en una configuración de como generador de señal analógica usando la función de voltaje. Luego desarrollamos un Vi en el software Labview para obtener la respuesta al escalón del sistema.
Figure 9. VI Obtención ADC con la DAQ en Labview
2.2. CÁLCULOS Y MODELOS Para la identificación de los modelos de primer orden y de polo doble más tiempo muerto, se requieren solamente dos puntos sobre la curva de reacción, por lo que se utilizarán para esto los tiempos t_25 y t_75 (método 1/4 - 3/4). 1)
Ecuación de primer orden con datos obtenidos del PIC
Figure 10. Respuesta al Escalón de la Planta Obtenida Mediante el PIC
2)
Ecuación de primer orden con datos obtenidos de la DAQ
Figure 11. Respuesta al Escalón Medida con la DAQ
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS: Se muestra en una misma gráfica (Figura 12) las dos respuestas obtenidas mediante Excel, se puede observar que estas se aproximan, aunque la señal de la DAQ presenta mucho ruido, que puede hacer que haya una diferencia entre las dos muestras. 6 5 4 3
Amplitude - Voltage DAQ
2
Amplitude - Voltage PIC
1 0 -1
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 6 6 6 6 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1
Figure 12. Comparación de la Obtención de las Respuestas
3.1. CUADROS COMPARATIVOS Comparación entre los tiempos de adquisición tanto del PIC como de la DAQ teniendo como Vmax un valor de 5v al 25% y 75% del tiempo de establecimiento.
Tiempos medidos con la adquisición PIC Tabla 1. Datos Para la Ecuación de la Planta con PIC VALORES
AMPLITUD/VOLTAJE
TIEMPO
679ms
1.25
789ms
3.75
Tiempos medidos con la adquisición DAQ
Tabla 2. Datos Para la Ecuación de la Planta con DAQ VALORES
AMPLITUD/VOLTAJE
TIEMPO
682ms
1.25
792ms
3.75
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Mediante la resolución de la práctica nos logramos dar cuenta de algunos inconvenientes como: el tiempo de muestreo y adquisición de datos los mismos que son muy importantes dado que sin ellos no se puede recibir correctamente la onda, un mal cálculo de tiempo nos conlleva a tener una onda cortada en los extremos. Un aspecto que se tiene que considerar en la parte de la transmisión de información ya sea por medio de un módulo ttl o transmisión sería o también por medio de una transmisión USB. El problema al implementar una transmisión USB es que el ordenador no suele reconocer al driver USB, pero el beneficio del mismo es una mayor tasa de transmisión de datos. Por otro lado, al usar una transmisión serial perdemos velocidad de transmisión, pero en cambio el dispositivo sí reconoce al ordenador dándonos la facilidad de comunicación. El objetivo de la práctica es la de obtener dos ondas similares ya sea implementando el PIC o la DAQ, pero al momento de establecer las ondas nos encontramos con el problema de los tiempos de adquisición los cuales nos puede dar como resultados ondas con una ligera variación.
Marco Orellana José Ortiz Miguel Solís _______________________________
ANEXOS
Anexo1: Datos del PIC y la DAQ Time - Voltage
Amplitude - Voltage DAQ
Amplitude - Voltage PIC
0.634
0.0016553
0.166015625
0.635
0.0115249
0.063476563
0.636
0.0016553
0.185546875
0.637
-0.00130557
0.200195313
0.638
-0.00130557
0.161132813
0.639
-0.00163456
0.13671875
0.64
-0.00130557
0.205078125
0.641
-0.000976584
0.249023438
0.642
0.218786
0.263671875
0.643
0.212864
0.29296875
0.644
0.24346
0.33203125
0.645
0.551719
0.33203125
0.646
0.366829
0.380859375
0.647
0.435916
0.380859375
0.648
0.371435
0.385742188
0.649
0.343471
0.434570313
0.65
0.364526
0.48828125
0.651
0.412229
0.502929688
0.652
0.456971
0.56640625
0.653
-0.000976584
0.620117188
0.654
-0.000976584
0.56640625
0.655
-0.00163456
0.600585938
0.656
-0.00130557
0.625
0.657
-0.00196354
0.673828125
0.658
-0.00163456
0.688476563
0.659
0.622451
0.727539063
0.66
0.640874
0.717773438
0.661
0.675747
0.776367188
0.662
0.88893
0.795898438
0.663
0.81754
0.854492188
0.664
0.793195
0.874023438
0.665
0.71687
0.903320313
0.666
0.770166
0.893554688
0.667
0.829054
0.91796875
0.668
0.841227
0.991210938
0.669
0.817211
1.020507813
0.67
0.797342429
1.010742188
0.671
0.79469094
1.000976563
0.672
0.792039452
1.11328125
0.673
0.789387964
1.127929688
0.674
0.786736476
1.19140625
0.675
0.784084988
1.23046875
0.676
1.05967
1.254882813
0.677
1.09422
1.215820313
0.678
1.40807
1.318359375
0.679
1.14389
1.3671875
0.68
1.35806
1.3671875
0.681
1.26003
1.333007813
0.682
1.19456
1.42578125
0.683
1.26957
1.450195313
0.684
1.32845
1.411132813
0.685
1.338
1.499023438
0.686
1.12975
1.5625
0.687
1.298998364
1.538085938
0.688
1.309675818
1.557617188
0.689
1.320353273
1.547851563
0.69
1.331030727
1.586914063
0.691
1.341708182
1.596679688
0.692
1.4867
1.645507813
0.693
1.48604
1.71875
0.694
1.53868
1.733398438
0.695
1.71995
1.733398438
0.696
1.82226
1.762695313
0.697
1.71436
1.884765625
0.698
1.6377
1.840820313
0.699
1.6479
1.899414063
0.7
1.79891
1.918945313
0.701
1.75515
1.977539063
0.702
1.76436
1.977539063
0.703
1.795066
1.953125
0.704
1.816590571
2.0703125
0.705
1.838115143
2.075195313
0.706
1.859639714
2.060546875
0.707
1.881164286
2.104492188
0.708
1.902688857
2.094726563
0.709
1.87128
2.202148438
0.71
1.93807
2.280273438
0.711
1.96044
2.231445313
0.712
1.97261
2.172851563
0.713
2.04894
2.241210938
0.714
2.07493
2.319335938
0.715
2.08677
2.309570313
0.716
2.11342
2.280273438
0.717
2.13776
2.299804688
0.718
2.19994
2.36328125
0.719
2.18941
2.407226563
0.72
2.244299455
2.377929688
0.721
2.276022545
2.416992188
0.722
2.307745636
2.456054688
0.723
2.339468727
2.568359375
0.724
2.371191818
2.6171875
0.725
1.52486
2.592773438
0.726
2.3845
2.573242188
0.727
2.43385
2.55859375
0.728
2.54636
2.583007813
0.729
2.41181
2.592773438
0.73
2.61282
2.641601563
0.731
2.54702
2.719726563
0.732
2.4276
2.768554688
0.733
2.50392
2.763671875
0.734
2.49175
2.802734375
0.735
2.51676
2.836914063
0.736
2.699917273
2.79296875
0.737
2.749884545
2.8125
0.738
2.799851818
2.71484375
0.739
2.849819091
2.83203125
0.74
2.899786364
2.8125
0.741
2.949753636
2.856445313
0.742
2.6773
2.954101563
0.743
2.81317
2.9296875
0.744
2.80034
2.958984375
0.745
2.75461
3.0078125
0.746
2.87338
3.012695313
0.747
2.93424
2.973632813
0.748
2.75659
3.012695313
0.749
2.88193
3.041992188
0.75
2.83225
3.110351563
0.751
2.86614
3.154296875
0.752
2.94345
3.217773438
0.753
2.913586111
3.232421875
0.754
2.926460444
3.217773438
0.755
2.939334778
3.154296875
0.756
2.952209111
3.193359375
0.757
2.965083444
3.178710938
0.758
2.98194
3.139648438
0.759
2.98194
3.193359375
0.76
3.01221
3.256835938
0.761
3.26389
3.266601563
0.762
2.98688
3.305664063
0.763
3.0938
3.315429688
0.764
3.07669
3.33984375
0.765
3.08525
3.344726563
0.766
3.05465
3.33984375
0.767
3.13788
3.413085938
0.768
3.19217
3.413085938
0.769
3.23757
3.486328125
0.77
3.186509333
3.510742188
0.771
3.199674848
3.500976563
0.772
3.212840364
3.452148438
0.773
3.226005879
3.388671875
0.774
3.239171394
3.408203125
0.775
2.35391
3.447265625
0.776
3.21849
3.491210938
0.777
3.26389
3.564453125
0.778
3.32508
3.569335938
0.779
3.38495
3.5546875
0.78
3.46885
3.491210938
0.781
3.36489
3.481445313
0.782
3.47707
3.588867188
0.783
3.33265
3.637695313
0.784
3.31422
3.681640625
0.785
3.39844
3.666992188
0.786
3.596354727
3.666992188
0.787
3.651770818
3.73046875
0.788
3.707186909
3.686523438
0.789
3.762603
3.540039063
0.79
3.818019091
3.642578125
0.791
3.873435182
3.662109375
0.792
3.46556
3.725585938
0.793
3.44713
3.784179688
0.794
3.50536
3.784179688
0.795
3.73039
3.823242188
0.796
3.60242
3.7890625
0.797
3.61985
3.823242188
0.798
3.59386
3.837890625
0.799
3.60406
3.876953125
0.8
3.63663
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