Trabajo Final de Carrera Ingeniería Electrónica con ...
Transcript of Trabajo Final de Carrera Ingeniería Electrónica con ...
Desarrollo e implementación de una plataforma didáctica
para sistemas basados en el control de posición de un carro
Trabajo Final de Carrera
Ingeniería Electrónica con Orientación en Sistemas Digitales
Universidad Nacional de San Luis
Facultad de Ciencias Físico, Matemáticas y Naturales
Departamento de Electrónica
Autor: Isidori, Armando Héctor
Director: Mg. Falco, Cristian Ariel
Guía de Presentación
Descripción
del problema.
Diagrama en
bloques del
sistema de
posicionamie
nto.
Objetivos
Generales y
Específicos.
IntroducciónDiseño y
simulaciónImplementación Resultados Conclusión
Modelo del
carro.
Respuesta a
lazo cerrado.
Diseño del
controlador.
Simulación
del sistema
compensado
Desarrollo de
la plataforma:
Software y
Hardware.
Funcionamien
to de la
plataforma.
Conclusiones
y Trabajo
Futuro.
Descripción del problema
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
El control de posición es un problema clásico de la ingeniería, debido a su
amplio campo de aplicación.
Descripción del problema
Una plataforma didáctica permite a los
estudiantes tomar contacto con
temáticas de la realidad.
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Esta planta didáctica servirá de
plataforma para distintos laboratorios
en asignaturas como Control I, Control II
y Automatización Industrial.
Descripción del problema
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
SISTEMA DE
CONTROL
Entrada ala planta
Error de control
Referencia
S
E
PC + DAQ
FUENTE DE
MOVIMIENTO
Salida de la planta
Entrada a la planta
SENSOR DE
ÁNGULO
Descripción del problema
Plataformas Didácticas de referencia para el diseño
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Descripción del problema
Plataformas Didácticas de referencia para el diseño
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Objetivos
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Principal
Analizar la configuración del actuador industrial para un buen desempeño.
Estudiar, y evaluar los sistemas de adquisición de datos (DAQ).
Diseñar e implementar un tablero eléctrico.
Desarrollar una rutina de arranque.
Dotar al sistema de control de una entrada de referencia de posición.
Específicos
Desarrollar una plataforma robusta que sea la base para implementar distintas
plantas didácticas.
Modelo del carro
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
El objetivo de modelar el sistema es encontrar el conjunto de
ecuaciones diferenciales
𝐹𝑥𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 𝑀 ሷ𝑥
𝑀 ሷ𝑥 = 𝐹 − 𝑏 ሶ𝑥
𝐹 = 𝑀 ሷ𝑥 + 𝑏 ሶ𝑥
Sumatoria de fuerzas actuantes:
Función de transferencia a lazo abierto:
𝐺 𝑠 =𝑋(𝑠)
𝐹(𝑠)=
1
𝑠 𝑀𝑠 + 𝑏
x
𝐹
𝑀𝑔
𝑁𝑟
𝐹𝑟 = 𝑏𝑥ሶ
𝑥
𝑥ሶ = 𝑣
𝑥ሷ = 𝑎
y
Sistema a lazo cerrado con ganancia K
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
EntradaEscalón
Fuerza
Posicion del carro
Velocidad del carro
Ganancia variable
K
Respuesta a lazo cerrado
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Parámetros de respuesta transitoria, K1 < K2 < K3
Parámetro K1 K2 K3 [unidad]
𝑇𝑠 97 46 44 [s]
𝑇𝑟 53.70 9.54 0.44 [s]
𝑂𝑆 - 15.60 89.20 [%]
Diseño del compensador
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
• Compensador de adelanto mediante el método del lugar de las raíces
Parámetro Valor [unidad]
𝑇𝑠 1 [s]
𝑇𝑝 0.35 [s]
𝑂𝑆 20 [%]
Requerimientos de diseño del compensador
𝒔𝟏 = −𝟒 + 𝒋𝟕. 𝟖𝟏 𝒔𝟐 = −𝟒 − 𝒋𝟕. 𝟖𝟏
𝝃 = 𝟎. 𝟒𝟓 𝝎𝒏 = 𝟖. 𝟕𝟕
𝝎𝒏𝝃
Sistema con compensador
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
EntradaEscalón
Fuerza
Posicion del carro
Velocidad del carro
247.66𝑠 + 4.692
𝑠 + 16.64
Compensador
Sistema con compensador
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
EntradaEscalón
Fuerza
Posicion del carro
Velocidad del carro
247.66𝑠 + 4.692
𝑠 + 16.64
Compensador
Step Response
Time (seconds)
Am
plit
ude
0 0.5 1 1.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
System: Ts
Peak amplitude: 1.2
Overshoot (%): 20.2
At time (seconds): 0.403
System: Ts
Settling time (seconds): 0.945
Requerimientos de velocidad y fuerza
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Desarrollo de la plataforma- Hardware
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Drive AC
Tecnología
Inverter
Servomotor – Motor Sincrónico Brushless
Realimentación por encoder incremental
Desarrollo de la plataforma- Hardware
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Drive AC
Tecnología
Inverter
Servomotor – Motor Sincrónico Brushless
Realimentación por encoder incremental
Desarrollo de la plataforma- Hardware
Característica Valor [unidad]
Torque nominal 1.3 [N.m]
Velocidad nominal de rotación 3000 [r/min]
Potencia nominal de salida 400 [W]
Encoder tipo incremental 2500 [ppr]
Tabla 3.2. Características principales del servomotor.
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Drive AC
Tecnología
Inverter
Servomotor – Motor Sincrónico Brushless
Realimentación por encoder incremental
Desarrollo de la plataforma- Hardware
Característica Valor [unidad]
Torque nominal 1.3 [N.m]
Velocidad nominal de rotación 3000 [r/min]
Potencia nominal de salida 400 [W]
Encoder tipo incremental 2500 [ppr]
Tabla 3.2. Características principales del servomotor.
Desarrollo de la plataforma- Hardware
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Detección de la posición de referencia del carro
Desarrollo de la plataforma- Hardware
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Sensores finales de carrera en ambos extremos de la base
Solución para accionar
sensores finales de carrera
Desarrollo de tablero eléctrico
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
6.9
0
FUENTEDE ALIMENTACIÓN
15 [VDC]
18.00
26.0
0
8.30
7.8
0
9.80
9.8
0
5.00
Borneras de alimentación
Bornera placa DAQumk-se11 25-2
Cable Canal
Interfaz Servo-DAQ
1 14
2815
15[V]5[V]0[V]
ENTRADA
SALIDA
1 19
3720
Desarrollo de tablero eléctrico
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
6.9
0
FUENTEDE ALIMENTACIÓN
15 [VDC]
18.00
26.0
0
8.30
7.8
0
9.80
9.8
0
5.00
Borneras de alimentación
Bornera placa DAQumk-se11 25-2
Cable Canal
Interfaz Servo-DAQ
1 14
2815
15[V]5[V]0[V]
ENTRADA
SALIDA
1 19
3720
Desarrollo de la plataforma- Hardware
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Etapa final de plataforma didáctica
Desarrollo de la Plataforma - Software
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Sistema de control en tiempo real
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Secuencia de inicio
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Secuencia de inicio
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Conversor amplitud - pulsos
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Conversor amplitud - pulsos
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Rutina de Inicio – Extremo Izquierdo
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Rutina de Inicio – Extremo Derecho
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
𝐸𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 2.03 %
Validación de velocidad máxima
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
𝐸𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 0.16 %
𝐸𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 2.03 %
Validación de velocidad máxima
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
𝐸𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 0.16 %
Seguimiento Referencia de posición
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Seguimiento de posición
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Conclusiones
Introducción Diseño y Simulación Implementación Resultados Conclusión
Se desarrolló una plataforma didáctica robusta utilizando actuadores
industriales.
Se parametrizó un actuador industrial para lograr un buen desempeño.
Se adquirió el Know-How en sistemas DAQ de la empresa National Instruments
Se construyó un tablero eléctrico robusto y documentado para la plataforma.
Se diseñó una rutina de arranque para automatizar la inicialización de la
plataforma.
Se dejó disponible un sistema de tiempo real para el control de la posición del
carro.
Se validaron los requerimientos velocidad y fuerza para un buen desempeño
de la plataforma.
Se logró un error de posicionamiento del carro de la plataforma
aproximadamente del 2.0 [%].
Trabajo Futuro
Desarrollar plantas basadas en el presente proyecto final entre las cuales
se pueden mencionar:
Disponer de un equipo didáctico de relativamente bajo costo para la
enseñanza, sería importante el contacto con otras instituciones
universitarias y/o secundarias para continuar con el desarrollo de esta
plataforma didáctica.
• Péndulo Invertido
• Doble Péndulo Invertido
• Péndulo Tándem
• Puente Grúa
Agradecimientos
A Dios y mi madre , que sin ellos no lo hubiera logrado.
A mi novia Georgina, por acompañarme y ayudarme todos estos años.
A mis amigos por estar presentes y acompañarme en este momento.
A toda familia, por siempre apoyarme en todo lo que hago.
A la U.N.S.L. y al L.E.I.S. por brindarme esta formación y por permitirme
realizar el trabajo final en sus instalaciones.
A Cristian Falco por ayudarme en este proceso y enseñarme muchas
cosas, mas allá de la electronica.
¿Preguntas?
¡Muchas gracias!