Ingeniería y Arquitectura
Manual de prácticas de Regulación Automática basadas en el equipo térmico LD Didactic® José Juan Quintana Hernández Moisés Díaz Cabrera
Ingeniería y Arquitectura ·
09
Manual de prácticas de Regulación Automática basadas en el equipo térmico LD Didactic ®
José Juan Quintana Hernández Moisés Díaz Cabrera
2022
COLECCIÓN: CUADERNOS PARA LA DOCENCIA RAMA DE CONOCIMIENTO: INGENIERÍA Y ARQUITECTURA · 09 MANUAL DE PRÁCTICAS DE REGULACIÓN AUTOMÁTICA ® BASADAS EN EL EQUIPO TÉRMICO LD DIDACTIC
QUINTANA HERNÁNDEZ, José Juan Manual de prácticas de regulación automática basadas en el equipo térmico LD Didactic / José Juan Quintana Hernández, Moisés Díaz Cabrera. -- Las Palmas de Gran Canaria : Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, Servicio de Publicaciones y Difusión Científica, 2022 128 p. ; 1 archivo .pdf – (Cuadernos para la docencia. Ingeniería y Arquitectura ; 9) ISBN 978-84-9042-435-3 1. Regulación automática - Prácticas 2. Control automático - Prácticas I. Díaz Cabrera, Moisés, coaut. II. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, ed III. Título IV. Serie 681.5 Thema: TJFM, 4CT
La publicación de esta obra ha sido aprobada, tras recibir dictamen favorable en un proceso de evaluación interno, por el Consejo Editorial del Servicio de Publicaciones y Difusión Científica de la ULPGC © del texto: José Juan Quintana Hernández Moisés Díaz Cabrera
© de la edición: Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Servicio de Publicaciones y Difusión Científica http://spdc.ulpgc.es serpubli@ulpgc.es Primera edición [edición electrónica PDF], 2022 ISBN: 978-84-9042-436-0 ISBN (ed. impresa): 978-84-9042-435-3
Producido en España. Produced in Spain Reservados todos los derechos por la legislación española en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de esta obra puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo, por escrito de la editorial.
ÍNDICE
Introducción .............................................................................. 9 Práctica 1: Modelado del sistema .................................................... 13 1.1. Antecedentes ................................................................... 13 1.1.1.- Sistema de primer orden ............................................... 13 1.1.2.- Función de transferencia del sistema térmico...................... 14 1.1.3.- Medida de la temperatura.............................................. 16 1.1.4.- Función de transferencia final......................................... 17 1.2
En el laboratorio ............................................................ 18
1.2.1.- Conexionado de módulos ............................................... 18 1.2.2.- Toma de datos ............................................................ 19 1.3
En casa ....................................................................... 20
1.3.1.- Creación de variables ................................................... 20 1.3.2.- Identificación con un polo y función identif_FT.m ................ 21 1.3.3.- Identificación con un polo más retardo y con dos polos .......... 22 1.4
Simulaciones................................................................. 24
1.4.1.- Modelado básico del módulo del sistema térmico ................. 24 1.4.2.- Modelado del módulo de variable de referencia ................... 26 1.4.3.- Simulación de la respuesta del sistema a un escalón de 6V ...... 26 Anexo 1.1: Programa fmin_identif_FT.m ........................................ 28 Anexo 1.2: Función identif_FT.m ................................................. 29 Práctica 2: Perturbaciones y control manual ...................................... 35 2.1. Antecedentes ................................................................... 35 2.1.1.- Perturbación .............................................................. 35 2.1.2.- Función de transferencia del sistema térmico con perturbaciones ...................................................................... 36 2.1.3.- Control manual ........................................................... 37 2.2
En el laboratorio ............................................................ 38
2.2.1.- Conexionado de módulos ............................................... 38 2.2.2.- Toma de datos perturbaciones ........................................ 39
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José Juan Quintana Hernández y Moisés Díaz Cabrera
2.2.3.- Toma de datos control manual ........................................ 40 2.3
En casa ........................................................................ 41
2.3.1.- Gráfico de perturbaciones .............................................. 41 2.3.2.- Gráfico del control manual ............................................. 41 2.4
Simulaciones ................................................................. 42
2.4.1.- Modelado del módulo del sistema térmico con perturbaciones.. 42 2.4.2.- Control manual con Simulink ........................................... 44 Práctica 3: Control proporcional ..................................................... 49 3.1. Antecedentes.................................................................... 49 3.1.1.- Sistema realimentado ................................................... 49 3.1.2.- Aplicación al sistema realimentado de prácticas ................... 51 3.2
En el laboratorio ............................................................ 53
3.2.1.- Conexionado de módulos ............................................... 53 3.2.2.- Toma de datos ............................................................ 54 3.3
En casa ........................................................................ 56
3.3.1.- Análisis de datos.......................................................... 57 3.4
Simulaciones ................................................................. 60
3.4.1.- Sensibilidad del sistema a las perturbaciones....................... 60 3.4.2.- Seguimiento de referencias ............................................ 62 Práctica 4: Control proporcional - acción directa ................................. 65 4.1. Antecedentes.................................................................... 65 4.1.1.- Control proporcional con bias .......................................... 65 4.1.2.- Acción de control directa e inversa ................................... 68 4.2
En el laboratorio ............................................................ 72
4.2.1.- Conexionado de módulos ............................................... 72 3.2.2.- Toma de datos ............................................................ 73 4.3
En casa ........................................................................ 76
4.3.1.- Sistema en lazo abierto ................................................. 76 4.3.2.- Sistema en lazo cerrado................................................. 77 4.4
Simulaciones ................................................................. 78
4.4.1.- Función de transferencia en lazo abierto ............................ 78 4.4.2.- Sistema con control proporcional y acción directa e inversa .... 80
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Índice
Práctica 5: Control PID................................................................. 85 5.1. Antecedentes ................................................................... 85 5.1.1.- Controlador PID .......................................................... 85 5.2
En el laboratorio ............................................................ 86
5.2.1.- Conexionado de módulos ............................................... 86 5.2.2.- Toma de datos ............................................................ 87 5.3
En casa ....................................................................... 89
5.4
Simulaciones................................................................. 90
5.4.1.- Sintonización de Ziegler-Nichols respuesta al escalón ............ 90 5.4.2.- Controlador PID .......................................................... 92 Práctica 6: Control digital con Arduino ............................................. 97 6.1. Antecedentes ................................................................... 97 6.1.1.- Nociones de control digital............................................. 97 6.1.2.- Nociones de Arduino Uno ..............................................101 6.1.3.- Nociones del IDE de Arduino ..........................................101 6.1.4.- Estructura de un programa de Arduino .............................103 6.1.5.- Implementación de un control PID en el Arduino .................106 6.2
En el laboratorio ...........................................................110
6.2.1.- Conexionado de módulos ..............................................110 6.2.2.- Cosas a tener en cuenta y otras que pueden ir mal ..............112 6.2.3.- Toma de datos ...........................................................113 6.3
En casa ......................................................................119
6.4
Simulaciones................................................................120
6.4.1.- Controlador Todo-Nada ................................................120 Anexo 6.1: Programa de Arduino de ejemplo para ver cómo utilizar los comandos. .........................................................123 Bibliografía..............................................................................127
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INTRODUCCIÓN El equipo de prácticas en el que se basa este manual es el equipo térmico del fabricante LD Didactic®. Este equipo es bastante robusto e idóneo para el uso intensivo que hacen de él los estudiantes de las distintas asignaturas que lo utilizan. El sistema de prácticas consta de: (1) un módulo que genera la consigna de forma manual o la referencia en modo automático; (2) un módulo térmico que en función de la tensión aplicada ilumina una lámpara que genera el calor para su calentamiento y con un ventilador regulable para su refrigeración; (3) también dispone de varios módulos para el control tales como PID, todo-nada, etc. Este equipo presenta varias ventajas: por una parte, la acción de control es fácilmente cuantificable, ya que a mayor acción de control la lámpara se enciende con más intensidad y genera más calor; por otra, la temperatura de salida se puede medir con facilidad con un polímetro; y además, al ser un sistema con una gran constante de tiempo, los estudiantes podrán cuestionarse y debatir sobre la dificultad de controlarlo. Este libro parte de un primer manual de prácticas basado en módulos antiguos desarrollado por D. Iván González Tavío, el Dr. D. Ignacio de la Nuez Pestana y por mí. Se ha procurado que, en la medida de lo posible, se puedan utilizar los módulos antiguos y los más recientes. También se ha pretendido que cada práctica se pueda realizar de forma autónoma de manera que no dependa del resto, es por ello, que algunas figuras pueden estar repetidas. Todas disponen además de una parte de simulación que permite su realización utilizando el Simulink®. Para la resolución de todas ellas se ha optado por el uso del paquete matemático MATLAB® y su entorno de simulación Simulink®. Este libro está estructurado de la siguiente manera: La primera práctica deduce el modelo de la planta utilizando funciones de transferencia. La segunda muestra el efecto de las perturbaciones sobre el sistema y la dificultad del control manual en sistemas con una gran constante de tiempo. La tercera estudia la aplicación a la planta de un control proporcional y se analizan los errores inherentes a este tipo de control. La cuarta introduce el control de la planta en una topología de acción directa, es decir, fijar la potencia de la lámpara y regular la temperatura variando la potencia del ventilador. La quinta muestra el control de la temperatura utilizando un controlador PID y describe algunas técnicas de sintonizado. Por último, la sexta propone una práctica en la que el control del sistema se hace mediante un Arduino® y en la que se inicia al estudiante al control de un sistema mediante un sistema basado en un microcontrolador.
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José Juan Quintana Hernández y Moisés Díaz Cabrera
Toda la documentación adicional a este manual está disponible en el repositorio: https://www.dropbox.com/sh/e10lvryr936anq3/AACYbhQizp-0Wd29_9F-YSkKa?dl=0. Además, cualquier comentario o sugerencia será bien recibido en la dirección de correo josejuan.quintana@ulpgc.es. Por último, dar las gracias a los estudiantes de estos últimos cursos por su aportación a este manual y a mi compañero el Dr. D. Moisés Díaz Cabrera con el que ha sido un placer realizar este trabajo. José Juan Quintana Hernández
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Una asignatura como Regulación Automática requiere de experiencias de laboratorio para mejorar el proceso de aprendizaje y enseñanza. El objetivo de este manual es recorrer alguno de los temas de la asignatura presentados en clase a lo largo de seis prácticas de laboratorio. Cada práctica parte de una explicación teórica seguida de una descripción del uso del equipo en el laboratorio. Ambos apartados deben de ser leídos antes de asistir al laboratorio. Con el fin de guiar al estudiante en la preparación de los informes, se incluyen preguntas de reflexión y de simulación computacional. La colección Cuadernos para la Docencia la componen unas publicaciones de carácter eminentemente práctico que pretenden poner a disposición del estudiantado, a un precio asequible, materiales docentes elaborados por el PDI de la ULPGC y pensados para las asignaturas de los grados presenciales que se imparten en nuestra Universidad.