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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"
"Diseño y control de una servoválvula"
TESIS
Que para obtener el título de:
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica
PRESENTA:
Delgado Báez Jesús Adolfo Méndez Martínez Oscar
ASESORES:
Dr. Carlos Vázquez Aguilera Dr. Alberto Luviano Juárez
México, Distrito Federal, noviembre de 2012
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
RESUMEN
El presente es un trabajo cuya finalidad versa en el diseño y control de una
servoválvula para la distribución de agua. El sistema está conformado por un
tanque de almacenamiento con presión variable, una válvula convencional de
globo acoplada mecánicamente a un motor eléctrico de corriente continua, así
como una válvula manual de compuerta empleada como perturbador para
incrementar o decrementar la presión ejercida en el fondo del recipiente.
El control se lleva a cabo en base a las mediciones de los sensores de flujo y
posición integrados en el sistema general de proceso, los cuales constantemente
mandan información a un microcontrolador encargado de deducir la cantidad de
grados que el motor debe de girar para cerrar o abrir la válvula de control.
Se hace uso de la acción proporcional de un controlador digital diseñado para que
el motor de conmutación adquiera una respuesta rápida de la posición deseada, la
cual se logra al añadir un sistema de retroalimentación basado en un encoder
incremental de dos canales, proporcionando exactitud y precisión al sistema de
control.
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por darme la vida, por iluminarme y llenarme de fuerzas y
bendiciones para cumplir todos mis propósitos.
A mi familia y a todas aquellas personas por toda esa confianza que han
depositado en mí, así como su amor y cariño y sobre todo, su apoyo incondicional.
Mis logros y mis triunfos son de ustedes.
Por último, quiero agradecer a esas personas que compartieron sus conocimientos
a lo largo de esta carrera, mis maestros; en especial a mis asesores de tesis, que
con su ayuda y experiencia lograron motivarme para culminar esta obra.
Jesús Adolfo Delgado Báez
Esta tesis está dedicada a mi madre a quien agradezco de todo corazón por su
amor, cariño y comprensión. De igual manera a mi familia le doy las gracias por su
apoyo y la ayuda incondicional. En todo momento los llevo conmigo.
A mis amigos por su confianza y lealtad.
A mis profesores por compartir conmigo sus conocimientos y gusto por la
ingeniería.
A todas las personas que participaron e hicieron posible este proyecto, muchas
gracias por su disposición y enseñanza.
Oscar Méndez Martínez
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
Índice General
Pág. Índice de tablas i
Índice de ecuaciones ii
Índice de figuras iii
Planteamiento del problema 1
Objetivos 2
Justificación 3
Introducción 4
Estado del Arte 6
1. Capítulo 1. Marco Teórico
8
1.1. Mecánica de Fluidos 8
1.2. Densidad 10
1.3. Densidad relativa 12
1.4. Presión 12
1.4.1. Clases de Presión 13
1.4.2. Relación entre presión y elevación 14
1.5. Nivel 15
1.6. Válvulas 16
1.6.1. Válvula de Globo 16
1.7. Modelado del Sistema 18
1.8. Simulink 20
1.9. Data acquisition toolbox 21
2. Capítulo II. Controladores, sensores y algoritmos de control. 23
2.1. Microcontrolador. 24
2.2. Tarjeta de Adquisición de Datos NI USB-6008 25
2.3. Decodificador Óptico (encoder) 25
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
2.4. Sensor de Presión MPX10GP (0 a 1.45 psi / 0 a 10 KPa) 27
2.5. Especificaciones Técnicas del Sensor de presión y del Tanque de proceso.
27
2.6. Sensor de Flujo Gems tipo Turbina 30
2.7. Elementos Básicos de un Sistema en Lazo Cerrado 31
2.8. Control de Lazo Cerrado 33
2.9. Control Automático 33
2.10. Controlador Automático 33
2.11. Control Digital 34
2.12. Controlador Digital PID 34
2.13. Estrategia de Control en Cascada 37
3. Capítulo III. Desarrollo 39
3.1. Etapa de Adquisición de Datos 41
3.1.1. Adquisición de datos de la variable presión 41
3.1.2. Adquisición de datos de la variable flujo 43
3.1.2.1. Multiplicador de frecuencia 46
3.1.2.2. Circuito convertidor de frecuencia a voltaje 48
3.1.2.3. Circuito amplificador de instrumentación 49
3.1.2.4. Calibración del circuito propuesto 50
3.1.3. Lectura de pulsos del decodificador óptico. 51
3.2. Etapa de Control 51
3.2.1. Circuito detector de giro 51
3.2.2. Circuito PWM 53
3.2.3. Control en cascada 55
3.2.4. Diagrama de flujo 57
3.3. Etapa de Potencia 58
3.3.1. Puente H 58
3.4. Resultados 60
4. Capítulo IV. Conclusión 62
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
4.1. Conclusión 62
Bibliografía 64
Anexos 66
Anexo A. Tabla de conversiones de unidades de presión. 67
Anexo B. Microcontrolador MSP430G2452. 68
Anexo C. Sensor de Presión MPX2010GP. 70
Anexo D. Código de Programa adquisición de datos de la variable flujo. 71
Anexo E. Código de Programa del controlador digital proporcional. 76
Anexo F. Imágenes del sistema de proceso 78
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página i
Índice de Tablas
Pág.
Tabla 1.1. Propiedades Físicas del Agua 11
Tabla 3.1. Altura vs. Presión 42
Tabla 3.2. Altura vs. Frecuencia 44
Tabla 3.3. Frecuencia vs. Flujo 45
Tabla 3.4. Tabla de verdad Flip-flop tipo D 52
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página ii
Índice de Ecuaciones
Pág.
Capítulo I
Ecuación 1.1 Definición de flujo 10
Ecuación 1.2. Ley de Continuidad 10
Ecuación 1.3. Definición de densidad 11
Ecuación 1.4. Definición de densidad relativa 12
Ecuación 1.5. Densidad relativa de un líquido 12
Ecuación 1.6.Definición general de presión 13
Ecuación 1.7. Definición presión absoluta 14
Ecuación 1.8. Relación entre presión y elevación 15
Ecuación 1.9. Ecuación del caudal del estado estable 19
Ecuación 1.10. Función de transferencia del sistema a controlar 20
Capítulo II
Ecuación 2.1. Fórmula para el cálculo del volumen del tanque
de proceso.
28
Ecuación 2.2. Ecuación de la recta. 28
Ecuación 2.3. Relación lineal, altura – volts, detectada por el
sensor en el llenado del tanque.
29
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página iii
Índice de Figuras
Pág.
Capítulo I
Figura 1.1. Relación entre los diferentes tipo de presión. 14
Figura 1.2. Diagrama interno de una válvula de globo. 17
Figura 1.3. Tipos de flujo de una válvula de globo. 17
Figura 1.4. Operación de una válvula globo. 18
Capítulo II
Figura 2.1. Diagrama de bloques de los periféricos internos del
microcontrolador MSP430G2452
24
Figura 2.2. Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6008 25
Figura 2.3. Sensor de Presión 27
Figura 2.4. Gráfica altura – voltaje sensor 29
Figura 2.5. Sensor de flujo 30
Figura 2.6. Principio de funcionamiento del sensor de flujo tipo turbina 31
Figura 2.7. Subsistemas en un sistema de control en lazo cerrado 32
Figura 2.8. Diagrama a bloques de la definición de un controlador
Automático
33
Figura 2.9. Sistema de control digital común 34
Figura 2.10. Controlador digital PID 36
Figura 2.11. Diagrama a bloques del sistema de control en cascada
propuesto.
38
Capitulo III
Figura 3.1. Diagrama general del sistema de control 40
Figura 3.2. Grafica Altura vs. Presión 43
Figura 3.3. Frecuencia vs. Flujo 45
Figura 3.4. Multiplicador de frecuencia 46
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página iv
Figura 3.5. Diagrama convertidor frecuencia a voltaje 47
Figura 3.6. Circuito típico convertidor de frecuencia a voltaje 48
Figura 3.7. Circuito amplificador de instrumentación 50
Figura 3.8. Flip-Flop tipo D. 52
Figura 3.9. Circuito detector de dirección de giro 53
Figura 3.10. Señal PWM 54
Figura 3.11. Diagrama de bloques general del sistema de control en
cascada.
56
Figura 3.12. Diagrama de flujo del código del algoritmo de control. 58
Figura 3.13. Circuito integrado L293 59
Figura 3.14. Configuración del L293. 59
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad la distribución de agua se ha vuelto un tópico selecto en los
procesos industriales. Conforme el paso de los años se ha buscado diversas
formas de optimizar el control del agua, siendo las válvulas un claro ejemplo de
ello.
Existe un gran número de estos instrumentos finales de control cuya regulación
suele ser manual debido en gran parte al alto costo de su automatización. Es por
esto que se plantean las siguientes cuestiones:
¿La automatización de una válvula de globo para la regulación de agua mediante
una estrategia de control en cascada puede ofrecer un comportamiento aceptable
en comparación a cualquier servoválvula existente en el mercado sin necesidad de
una fuerte inversión económica?
¿El uso de un servomecanismo para el control de una válvula convencional puede
cumplir con las mismas prestaciones de una servoválvula comercial de regulación
de flujo?
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OBJETIVOS
La finalidad de este trabajo es la realización de un sistema de control capaz de
regular el flujo de agua a través de una válvula convencional dotada mecánica y
electrónicamente. Para tal motivo se debe cumplir con los siguientes propósitos:
Diseñar y construir una servoválvula mediante una válvula de globo
acoplada mecánicamente a un motor de corriente continúa.
Mantener el flujo de agua constante a través de la válvula de control.
Diseñar un control proporcional digital capaz de regular la posición del
actuador de la válvula con la máxima rapidez y el mínimo error posible.
Diseñar y construir un sistema de control confiable, preciso y de bajo costo.
Demostrar mediante un análisis sistematizado las prestaciones y
características finales del proyecto.
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JUSTIFICACIÓN
Esta obra busca resolver el problema del control automático del flujo de agua a
través de una tubería mediante la elaboración y el control de una servoválvula
construida en base a una válvula de globo, con el fin de demostrar una variante en
la automatización de procesos sin necesidad de realizar una gran inversión.
Las válvulas de globo presentan aberturas de entrada y de salida dispuestas a
manera de satisfacer los requerimientos del flujo a controlar. Por otro lado han
demostrado un comportamiento aceptable con respecto a la regulación de flujo por
lo que ha sido elegida para el desarrollo de este trabajo.
Se diseñará un controlador proporcional digital, cuya finalidad será la de regular el
flujo de agua deseado a través de la válvula de control, además de obtener una
respuesta más rápida del sistema.
La adquisición de señales provenientes de los sensores se realizará por medio del
convertidor analógico-digital presente en el microcontrolador MSP430G2452
debido a su bajo consumo de potencia y por ser inmensamente más accesible
económicamente en comparación con cualquier PLC industrial.
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INTRODUCCIÓN
Durante los últimos años la ciencia y la tecnología han sido capaces de
proporcionar diseños y algoritmos de control fiables, precisos y exactos, los cuales
son demandados por las industrias que requieren de sistemas de control
automático en sus procesos. Sin embargo, hacer que un sistema automático
posea las características mencionadas, requiere una gran inversión de tiempo y
dinero.
Es por ello que gran parte de la investigación mundial está centrada en la creación
de nuevas tecnologías capaces de proveer las mismas prestaciones a un menor
precio.
Las variables físicas como la presión y el caudal juegan un papel sumamente
importante en la mayoría de las industrias. La medición y el control de estas
variables son indispensables para que muchos procesos industriales lleguen a
buen término.
El control de la presión y el caudal es imprescindible en todas las industrias que
manejan fluidos, tales como la química, la minera, la petrolera, la alimenticia,
refinerías, petroquímicas, de generación de energía, de celulosa y papel, entre
otras.
Actualmente existen diversos equipos capaces de regular, medir y controlar flujos
y presiones de líquidos y gases como lo son las servoválvulas, las cuales son
elementos finales de control capaces de convertir señales eléctricas en señales de
caudal o presión.
El presente introduce una propuesta de un sistema de control que regula el flujo
de agua que pasa a través de una válvula de globo accionada mediante un motor
eléctrico de corriente directa. El control es llevado a cabo mediante un
microcontrolador que recibe continuamente señales del encoder y del sensor de
flujo, mismos que están colocados cuidadosamente en la planta. El diseño
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presenta un sistema de posicionamiento que se encargara de abrir o cerrar la
válvula de control de una manera proporcional.
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ESTADO DEL ARTE
Desde la antigüedad el ser humano ha tenido la necesidad de controlar su medio
ambiente mediante la regulación de las variables de los fenómenos físicos. La
presión y el caudal en los sistemas hidráulicos son variables físicas de gran
relevancia dentro de la vida cotidiana e industrial, es por ello que desde tiempos
remotos el hombre ha identificado el comportamiento y ha diseñado mecanismos
para el control de las mismas.
Las válvulas de control son unos de los instrumentos más esenciales en la
industria y se encuentran en la mayoría de las instalaciones y/o sistemas, es por
ello que se reconoce la importancia de estos dispositivos capaces de regular
fluidos.
El desarrollo de las válvulas para la regulación de flujos comenzó desde los
Egipcios, Griegos y Romanos, pero el máximo desarrollo se empezó a la par con
la revolución industrial con el primer motor de vapor donde debían regular y
contener muy altas presiones; este fue el hecho que marco la incursión de las
válvulas de control en la industria como un dispositivo fundamental en los
procesos.
En la actualidad existen numerosos diseños de válvulas de control y su elección
está determinada por el proceso y las características de las variables en cuestión,
es por ello que en esta obra trataremos únicamente de las servoválvulas como
elemento final de control y su regulación automática como el tema central.
En una servoválvula el desplazamiento de la corredera se realiza por medio de un
motor eléctrico (motor par) que regula con precisión el posicionamiento de la
misma, controlando con ello el caudal que pasa a través de la superficie liberada
por la corredera en su desplazamiento [1].
La demanda de estos instrumentos por parte de las industrias ha dado lugar a que
en los catálogos de algunos fabricantes se exhiban varios modelos de
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servoválvulas, sin embargo el costo de estos productos es muy elevado
alcanzando precios que se cotizan en miles de dólares por pieza.
En los últimos años algunos estudiantes de diferentes instituciones educativas han
propuesto algunos diseños importantes para el control del caudal o de la presión
de ciertos líquidos entre los cuales se encuentra el proyecto Development of the
Small Flow Rate Water Hydraulic Servo Valve [2] realizado por Toshiya
Watanabe, Tomokazu Inayama, y Takeo Oomichi del departamento de ingeniería
mecánica de la universidad de Meijo, Japón en el cual proponen el desarrollo de
una servoválvula para el control de un manipulador hidráulico; por otra parte los
estudiantes Ronald Paolo Borja Aldaz y Byron Renato Paredes Coque de la
Escuela Politécnica Nacional de Quito, Perú desarrollaron el diseño y la
construcción de un módulo didáctico para el control de nivel de líquidos [3]
por medio de una servoválvula construida a partir de una válvula de globo
acoplada a un motor de corriente continua. A diferencia de [3] nuestro proyecto no
está enfocado en el control de nivel de líquidos. Nuestro proyecto busca controlar
el flujo del agua proveniente de un tanque de medidas específicas a través de una
tubería independientemente de la presión existente en el tanque contenedor.
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CAPÍTULO I Marco Teórico
A lo largo de este capítulo se aborda la teoría necesaria para el estudio y el
entendimiento del problema planteado y sus posibles soluciones. Es por eso que
durante este apartado se plantea el marco teórico necesario para el buen
entendimiento del proceso. Se aborda la teoría de la mecánica de fluidos como
tema central para el análisis de las variables que forman parte directa o
indirectamente del sistema de control, así como las consideraciones físicas
necesarias para la delimitación del mismo. Por ultimo, se realiza un estudio
detallado de la válvula de control seleccionada en este proyecto.
1.1. Mecánica de fluidos
El comportamiento de los fluidos afecta nuestra vida cotidiana de muchas
maneras, vivimos inmersos en un sin fin de líquidos y gases que conforman
nuestro cuerpo y el espacio donde vivimos.
La mecánica de fluidos es la rama de la física que se encarga del estudio del
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comportamiento de los fluidos, ya sea en reposo o en movimiento. Los fluidos
pueden ser líquidos o gases, la diferencia entre ambos solo está relacionada con
la distancia intermolecular que existe entre sus partículas, así como otras
propiedades que definen el estado de agregación y las características propias de
cada fluido.
El estudio de los principios de la mecánica de fluidos constituye un verdadero
requisito al momento de enfrentarse con la necesidad de revolver algún problema
de esta índole. Estos principios deben entenderse bien, con el fin de poder elegir
adecuadamente los elementos que conformarán la solución, así como la
verificación del desempeño del sistema en cuestión.
Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el
tiempo ante la aplicación de una tensión tangencial sin importar la magnitud de
ésta.
Los fluidos se pueden clasificar de acuerdo a las diferentes características que
presentan, en:
Newtonianos
No newtonianos
Para fines de este trabajo se definirá únicamente a los fluidos newtonianos. Un
fluido newtoniano es un flujo cuya viscosidad puede considerarse constante en el
tiempo. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua; misma que se regulará
por medio del sistema de control propuesto.
En el sistema se utilizará como conducto una tubería que cumpla la función de
transportar el agua. Uno de los aspectos más importantes de la dinámica de
fluidos es el comportamiento de su flujo, el cual puede definirse como la cantidad
de fluido o volumen que pasa por un área dada en una unidad de tiempo.
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Ecuación 1.1. Definición de flujo
dónde:
= flujo o caudal (m3/s)
= área (m2)
= velocidad (m/s)
Para poder entender su comportamiento se analiza la conservación de la masa de
fluido a través de dos secciones (sean éstas A1 y A2) de un conducto (tubería) o
tubo de corriente la cual establece que: la masa que entra es igual a la masa que
sale. A partir de este enunciado se deriva la ecuación de continuidad, la cual se
expresa de la siguiente manera:
Ecuación 1.2. Ley de Continuidad
Esto se cumple cuando entre dos secciones del conducto no se acumula masa, es
decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo tanto su densidad sea
constante. Esta condición la satisface particularmente el agua.
El buen desempeño de los sistemas depende generalmente de la elección
adecuada del tamaño y el tipo de bombas y tubos, el diseño de los tanques de
almacenamiento, la selección de las válvulas de control de flujo, entre otros.
Para aprender a analizar los sistemas que trabajan con fluidos es necesario
comprender los siguientes conceptos, los cuales también tienen como objetivo el
modelado y la solución del problema planteado.
1.2. Densidad
Se entiende por densidad a la cantidad de masa por unidad de volumen de una
sustancia.
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Ecuación 1.3. Definición de densidad
En donde es el volumen de la sustancia cuya masa es . Las unidades de
densidad son kilogramo por metro cubico en el Sistema Internacional (SI) y slugs
por pie cubico en el Sistema Británico de Unidades [4].
En los flujos incompresibles, como los líquidos, la densidad es prácticamente
constante y una alteración en ella, solo dependerá del factor temperatura; por otro
lado, los materiales homogéneos, poseen la misma densidad en todas sus partes.
Las variaciones de la densidad y otras propiedades del agua con relación a su
temperatura se indican en la tabla 1.1
Propiedades físicas del agua en unidades.
Temperatura
ºC
Densidad ,
Viscosidad
,(
)
Viscosidad
cinemática ,
Módulo de
elasticidad
volumétrica ,
Tensión
superficial ,
x
Presión
de vapor
Pa
0
5
10
15
20
30
40
50
60
70
80
90
100
999.9
1000.0
999.7
999.1
998.2
995.7
992.2
988.1
983.2
977.8
971.8
965.3
958.4
1.792
1.519
1.308
1.140
1.005
0.801
0.656
0.549
0.469
0.406
0.357
0.317
0.284
1.792
1.519
1.308
1.141
1.007
0.804
0.661
0.556
0.477
0.415
0.367
0.328
0.296
204
206
211
214
220
223
227
230
228
225
221
216
207
7.62
7.54
7.48
7.41
7.36
7.18
7.01
6.82
6.68
6.50
6.30
6.12
5.94
588
882
1176
1666
2447
4297
7400
12220
19600
30700
46400
68200
97500
Tabla 1.1. Propiedades Físicas del Agua
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1.3. Densidad relativa
La densidad relativa o peso específico, está estrechamente asociada con la
densidad, y representa el peso del fluido por unidad de volumen.
Ecuación 1.4. Definición de densidad relativa
Donde es el peso del fluido y V el volumen que lo contiene.
Teniendo en cuenta que como la presión tiene un efecto insignificante sobre la
densidad de los líquidos, la forma de cuantificar y vincular la densidad y el peso
específico se logra con la siguiente ecuación, la cual relaciona la densidad de un
líquido a cierta temperatura, con respecto al agua a una temperatura normalizada
(15°C).
Ecuación 1.5. Densidad relativa de un líquido
Otra forma de relacionar la densidad y el peso específico de un fluido resulta de
aplicar la segunda ley de Newton a la unidad de volumen de fluido, por lo que:
Donde designa la aceleración local de la gravedad y la densidad del fluido.
1.4. Presión
La presión es una de las variables más importantes en los procesos productivos,
pues está relacionada íntimamente con numerosos fenómenos físicos y
aplicaciones donde continuamente se mide y controla.
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La presión es una magnitud física definida como la fuerza que ejerce un cuerpo
sobre una unidad de superficie (ecuación 1.6) y puede expresarse en unidades
tales como pascal (Pa), atmósferas, bar, kilogramos por centímetro cuadrado y psi
(libras por pulgada cuadrada), según el campo de aplicación y el sistema de
medida que se esté usando [5]. En el anexo A figuran las unidades más utilizadas
y sus equivalencias.
Ecuación 1.6.Definición general de presión
1.4.1. Clases de Presión
Los cálculos que implican la presión de un fluido, se deben de hacer en relación a
una presión de referencia, comúnmente, la presión de referencia es la atmósfera y
en otros casos, el vacío. Los siguientes conceptos son formas de medir la presión.
Presión absoluta: se mide con relación al vacío perfecto o cero absoluto de
presión. La medición siempre es positiva y no varía conforme la altitud.
Presión atmosférica: es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida
mediante un barómetro. Esta presión cambia con la altitud del lugar y las
condiciones climatológicas. A nivel del mar, la presión atmosférica se aproxima a
los 760 mmHg absolutos y decrece a razón de 1mmHg por cada 10 metros de
elevación sobre el nivel del mar.
Presión manométrica: es el exceso de presión más allá de la presión
atmosférica.
La ecuación 1.7 relaciona estas formas de medición de presión.
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Ecuación 1.7. Definición presión absoluta
Presión relativa: es la diferencia que existe entre la presión absoluta y la
atmosférica del lugar donde se realiza la medición.
Presión diferencial: es la resta algebraica entre dos presiones.
Vacío: es la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta, en otras
palabras, es toda presión menor a la atmosférica.
La figura 1.1 muestra en forma gráfica los conceptos antes mencionados.
Figura 1.1. Relación entre los diferentes tipo de presión
1.4.2. Relación entre presión y elevación.
Como se había mencionado anteriormente, la presión varía con un cambio de
profundidad o de elevación, entendiéndose por ésta última, como la distancia
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vertical a partir de algún nivel de referencia hasta el punto de interés.
La ecuación que relaciona el cambio de presión conforme a la elevación, es la
siguiente:
Si , entonces
Ecuación 1.8. Relación entre presión y elevación
En la que, es la constante de gravedad local, el cambio de elevación, el peso
especifico del liquido y su densidad.
Cabe mencionar que la ecuación anterior no se aplica a los gases, debido a que el
peso específico de un gas cambia con la presión, por lo que queda restringida
únicamente para líquidos homogéneos en reposo [6].
1.5. Nivel
La medición de nivel es una de las más importantes dentro de la industria, tanto
desde el punto de vista del correcto funcionamiento del proceso como de la
consideración del balance adecuado de materiales primas y productos finales [5].
Existen varios métodos para medir el nivel de líquidos, entre los cuales están:
Directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia.
Conforme a la presión hidrostática.
Por medio del desplazamiento producido en un flotador por el propio liquido
contenido en el tanque del proceso.
Aprovechando las características eléctricas del líquido.
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1.6. Válvulas
A continuación abordaremos el elemento final de control de esta propuesta: la
válvula. Se define a una válvula como cualquier dispositivo por medio del cual el
flujo de líquido se puede iniciar, cortar, o regular por una parte móvil que abra u
obstruya el paso. Las válvulas se utilizan para controlar el flujo, la presión, y la
dirección del flujo.
Las válvulas deben ser precisas en el control del fluido y presión, así como la
secuencia de operación.
Las válvulas se pueden controlar manual, eléctrica, neumática, mecánica e
hidráulicamente, o por combinaciones de dos o más de estos métodos. Los
factores que determinan el método de control incluyen el propósito de la válvula, el
diseño y el propósito del sistema, la localización de la válvula dentro del sistema, y
la disponibilidad de la fuente de energía.
1.6.1. Válvula de Globo
Como ya se mencionó anteriormente la parte de automatización del sistema la
llevará a cabo una válvula de globo. Las válvulas globo son probablemente las
válvulas más comunes. La válvula globo debe su nombre a la forma globular del
cuerpo de la válvula. Otros tipos de válvulas pueden también tener cuerpos de
forma globular. Pero es la estructura interna de la válvula que identifica el tipo. Son
unidireccionales y comúnmente son utilizadas como válvulas de regulación.
Su diagrama interno es el siguiente:
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Figura 1.2. Diagrama interno de una válvula de globo.
Las aberturas de entrada y de salida de las válvulas globo están dispuestas de
manera de satisfacer los requerimientos del flujo. La figura adjunta muestra
válvulas rectas, en ángulo y válvulas de flujo cruzado.
Figura 1.3. Tipos de flujo de una válvula de globo.
Para fines prácticos se utilizará una válvula de globo de flujo recto.
Las piezas móviles de una válvula globo consisten en el disco, el vástago de
válvula, y la manivela de cierre. El vástago conecta la manivela al disco.
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La pieza de la válvula globo que controla el flujo es el disco, que está sujeto al
vástago de la válvula (los discos están disponibles en varios diseños). La válvula
es cerrada dando vuelta al vástago de válvula hacia adentro hasta que el disco se
apoye en el asiento de la válvula. Esto evita que el líquido atraviese la válvula (ver
figura 1.4 A). El borde del disco y su asiento están delicadamente trabajados a
máquina de manera que cuando la válvula es cerrada encastran en forma muy
precisa. Cuando la válvula está abierta (ver figura 1.4 B), el líquido atraviesa el
espacio entre el borde del disco y el asiento. Dado que el fluido se desplaza
igualmente en todos los lados del centro de apoyo cuando la válvula está abierta,
no existe ninguna presión sin balancear sobre el disco que cause un desgaste
desigual. El régimen al cual el líquido atraviesa la válvula es regulado por la
posición del disco en relación con el asiento.
Figura 1.4. Operación de una válvula globo.
1.7. Modelado del Sistema
En base al flujo que circula a través de la tubería y a los pequeños cambios en la
variable principal del sistema, en este caso, el caudal, se puede definir dentro del
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régimen de los flujos laminares [7]. En consecuencia, la relación entre el caudal en
estado estable y la altura en estado estable se obtiene mediante
Ecuación 1.9. Ecuación del caudal en estado estable
donde Q = caudal del líquido en estado estable,
K = coeficiente,
H = altura en estado estable, m
Para el flujo laminar, la resistencia se obtiene como
La resistencia del flujo laminar es constante y análoga a la resistencia eléctrica.
Las variables se definen del modo siguiente:
caudal en estado estable (antes de que haya ocurrido un cambio),
.
desviación pequeña de la velocidad de entrada de su valor en estado estable,
.
desviación pequeña de la velocidad de salida de su valor en estado estable,
.
altura en estado estable (antes de que haya ocurrido un cambio), m.
desviación pequeña de la altura a partir de su valor en estado estable, m.
A partir de la premisa que indica que un sistema se considera lineal si el flujo es
laminar, la ecuación diferencial de este sistema se obtiene del modo siguiente.
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Como el caudal de entrada menos el caudal de salida durante el pequeño intervalo
de tiempo es igual a la cantidad adicional almacenada en el tanque, se observa
que
( )
A partir de la definición de resistencia, la relación entre y se obtiene mediante
La ecuación diferencial de este sistema para un valor constante de R se convierte
en
Obsérvese que RC es la constante de tiempo del sistema. Si se toma la
transformada de Laplace en ambos miembros de la ecuación anterior, y se supone
la condición inicial es cero, se obtiene
( ) ( ) ( )
Donde ( ) [ ] y ( ) [ ]
Si se considera la entrada y la salida, la función de transferencia del sistema
es
( )
( )
No obstante, si se toma como la salida, y la entrada es la misma, la función de
transferencia es
( )
( )
Ecuación 1.10. Función de transferencia del sistema a controlar
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1.8. Simulink
En esta tesis se va a utilizar el software Matlab Simulink ®, un entorno
para simulación multidominio y diseño basado en modelos para sistemas
dinámicos y embebidos. Proporciona un entorno gráfico interactivo y un
conjunto de bibliotecas de bloques que le permiten diseñar, simular, implementar y
probar una diversidad de sistemas, incluidas las
comunicaciones, control, procesamiento de señales, procesamiento de vídeo y
procesamiento de imágenes.
Simulink es una herramienta de simulación de modelos o sistemas, con cierto
grado de abstracción de los fenómenos físicos involucrados en los mismos. Se
hace hincapié en el análisis de sucesos, a través de la concepción de sistemas
(cajas negras que realizan alguna operación) [8].
1.9. Data acquisition toolbox
Data Acquisition Toolbox™ provee funciones para conectar MATLAB® con tarjetas
de adquisición de datos. El toolbox soporta una gran cantidad de DAQs,
incluyendo dispositivos USB, PCI, PCI-Express®, PXI y PXI-Express, de National
Instruments, Measurement Computing, Advantech, Data Translation, y otros
proveedores.
Con este toolbox se puede configurar el hardware de adquisición y leer datos
en MATLAB y Simulink ® para su análisis inmediato. También puede enviar datos
a través de los canales de salida analógica y digital proporcionados por la
tarjeta de adquisición de datos. El toolbox incluye funciones para controlar
entradas y salidas analógicas, contadores/temporizadores, y subsistemas de
entradas y salidas digitales. También puede tener acceso a características
específicas y sincronizar los datos obtenidos desde múltiples dispositivos.
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Es posible analizar los datos a medida que se adquieren o guardarlos para su
posterior procesamiento.
Bloques de Simulink incluidos en el toolbox permiten flujo de datos en vivo
directamente a los modelos de Simulink, lo que permite verificar y validar los
modelos a través de mediciones de datos en tiempo real como parte del proceso
de verificación del diseño [9].
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CAPÍTULO II Controladores, sensores y algoritmos
de control.
En este capítulo se describen minuciosamente los distintos dispositivos utilizados
en la construcción del sistema físico considerado para la experimentación con la
servoválvula. Se definen las diversas causas por las cuales se eligieron cada uno
de los dispositivos, así como sus principales características. Además se hacen
especificaciones técnicas en relación a la interacción que tienen los diferentes
sensores con el sistema de control por medio de cálculos y de ser necesario
gráficas.
Por otro lado, se propone el algoritmo de control a utilizar justificando el porqué de
la elección partiendo de conceptos básicos, definiciones y características. Se
presenta cada una de las fórmulas que componen al controlador seleccionado y se
describe su funcionalidad dentro de un sistema de control. Además, se incluyen
los respectivos diagramas de bloques con el fin de ilustrar el funcionamiento del
lazo de control. Finalizando con la descripción de la estrategia de control
seleccionada para la resolución del problema planteado en este documento.
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2.1. Microcontrolador.
En la parte del algoritmo de monitoreo y control de las señales de presión y
caudal, respectivamente, se propuso la utilización de un microcontrolador
económico, que cumpliera con las tareas propuestas.
La familia de microcontroladores MSP430 de ultra-baja potencia de Texas
Instruments consiste de varios dispositivos con diferentes conjuntos de periféricos
específicos para diferentes aplicaciones. La serie MSP430G2x52 son
microcontroladores de muy baja potencia de señal mixta que poseen en su interior
un temporizador de 16 bits, un convertidor analógico digital de 10 bits y hasta 16
líneas digitales de entrada y salida, las cuales permitirán la comunicación con los
dispositivos exteriores [10].
La siguiente figura muestra el diagrama de bloques general del microcontrolador
MSP430G2x52.
Figura 2.1. Diagrama de bloques de los periféricos internos del microcontrolador
MSP430G2452.
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2.2. Tarjeta de Adquisición de Datos NI USB-6008
Para la comprobación de resultados se utilizara la DAQ NI USB-6008, la cual
posee las siguientes características:
Figura 2.2. Tarjeta de Adquisición de datos NI USB-6008.
8 entradas analógicas (12 bits, 10 kS/s).
2 salidas analógicas (12 bits a 150 S/s).
12 E/S digitales. Salida en colector abierto.
Contador de 32 bits.
La versión OEM está disponible.
Software controlador NI-DAQmx[11].
Es importante mencionar que la adquisición de datos se realizo a través de
Simulink, un entorno de simulación del software Matlab.
2.3. Decodificador Óptico (encoder).
El decodificador óptico es un sensor que permite detectar el movimiento de
rotación de un eje, para obtener la señal de retroalimentación lo más precisa
posible, se propone emplear un decodificador óptico de 64 pulsos por revolución
montado al eje de un motorreductor, que gracias a un sistema de engranes,
incrementa su resolución a 8384 pulsos por revolución.
Existen 2 diferentes tipos de decodificador óptico, de acuerdo a sus características
se clasifican en:
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Decodificador Óptico Incremental, los cuales dan salidas serie de acuerdo
con el ángulo del eje de rotación, solo mientras este gira. De acuerdo a su
salida estos se clasifican a su vez en:
Unidireccionales. Tienen solo un canal de salida A y no
pueden determinar el sentido de giro.
Bidireccionales. Se puede obtener el sentido de giro a través
de una diferencia de fase entre los canales A y B.
Con salida de paso por cero. A parte de las salidas A y B,
también poseen una salida Z la cual otorga un pulso por cada
vuelta.
Decodificador Óptico Absoluto, da una salida en paralelo, codificada ya sea
en BCD o en código Gray. Tienen la desventaja que el número de pulsos
por ciclo es muy limitado respecto a los incrementales.
En la mayoría de los casos los decodificadores ópticos son elegidos de acuerdo al
número de canales y a su resolución, sin embargo existen otras características
importantes que se deben de tomar en cuenta para hacer cualquier diseño, como
lo son:
La respuesta máxima en frecuencia.
El par de arranque.
La velocidad máxima de rotación.
Momento de inercia.
Las señales de salida del decodificador óptico incremental son señales en
cuadratura, los cuales proporcionan la posición y el sentido de giro del motor.
También es posible obtener la velocidad angular con la que está girando el motor,
sin embargo, esta variable no es muy útil para nuestros fines, por lo cual no será
empleada.
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2.4. Sensor de Presión MPX2010GP (0 a 1.45 psi / 0 a 10 KPa)
Figura 2.3. Sensor de Presión
El sensor de presión de silicón piezoresistivo MPX2010GP proporciona un voltaje
de salida lineal y sumamente preciso, el cual es directamente proporcional a la
presión aplicada [12].
Una gran ventaja que presenta este sensor es su bajo costo y su compensación
en temperatura.
Características principales:
Capacidad para medir presión manométrica.
Bajo costo.
Cubierta resistente y de alta durabilidad.
2.5. Especificaciones Técnicas del Sensor de presión y del Tanque de
Proceso.
Dentro del sistema de control el sensor de presión tiene la función de transformar
la variable a medir a una forma de señal eléctrica que pueda ser posteriormente
fácilmente manejada por el microcontrolador.
El tanque del proceso tiene un volumen de 160 litros el cual es obtenido a partir de
las dimensiones del mismo como se muestra en la ecuación 2.1.
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Las dimensiones internas del tanque del proceso, hasta el drenado son las
siguientes:
Largo = 0.4 m Ancho = 0.4 m
Alto = 1 m
Ecuación 2.1. Fórmula para el cálculo del volumen del tanque de proceso.
Con el resultado anterior se define el volumen en litros del tanque de proceso.
Para este propósito se tiene un sensor de presión, él cual proporciona una
diferencia entre el valor máximo y mínimo del rango (span) de 25mV con una
sensibilidad de 2.5 mV / KPa.
La equivalencia física de los 25 mVcd de salida, correspondientes al llenado total
del tanque, refieren a un voltaje de salida del sensor de presión determinado el
cual está relacionado con la altura del tanque y la densidad del fluido.
Se hace uso de la ecuación de la recta para relacionar linealmente la cantidad de
Volts que entrega el sensor a la salida con respecto a la presión medida en el
tanque.
Ecuación 2.2. Ecuación de la recta.
La ecuación antes citada se puede desarrollar tomando en cuenta para el eje ‘y’ la
salida de 25 mVcd del sensor (la diferencia entre el valor de comienzo y el valor de
llenado total, en mV) y para el eje ‘x’ la altura del tanque (la diferencia entre el
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valor de comienzo y el valor de llenado total, en centímetros). Quedando como se
muestra a continuación:
Ecuación 2.3. Relación lineal, altura – volts, detectada por el sensor en el llenado
del tanque.
Para la ecuación 2.3 se ha considerado el valor de ‘b’ igual a cero, debido a que
en la siguiente gráfica el inicio está en el origen y no está desplazada hacia alguna
parte del plano cartesiano.
Lo anterior es posible apreciarse en la figura 2.4, la cual es una gráfica hecha en
Matlab y representa la función de primer grado mencionada.
Figura 2.4. Gráfica altura – voltaje sensor
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
5
10
15
20
25
Voltaje
sensor
de p
resio
n
Altura
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2.6. Sensor de Flujo Gems tipo turbina
Figura 2.5. Sensor de Flujo
El sensor de flujo Gems tipo turbina proporciona un rango de flujo de salida exacto
y entrega un voltaje de corriente directa en forma de tren pulsos [13]. Los
parámetros bajo los cuales se seleccionó el sensor de flujo son los siguientes:
El sensor maneja un rango de flujo estándar de 4 a 20 GPM, sin embargo
se utilizo el rango de bajo flujo de 1.5 a 12 GPM ya que brinda una
exactitud del ±7%. Esto gracias al adaptador de bajo flujo con el que
cuenta el sensor.
Esta hecho de polipropileno y diseñado para conectarse a tubería de ½”.
Alimentación de entrada de 4.5 VDC a 24 VDC y una salida de pulsos con
los mismos valores.
Presión máxima de 100 PSI.
El principio de funcionamiento del sensor de flujo se describe en la siguiente
figura:
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Figura 2.6. Principio de funcionamiento del sensor de flujo tipo turbina
2.7. Elementos Básicos de un Sistema en Lazo Cerrado
Se puede considerar que un sistema en lazo cerrado consiste de algunos
subsistemas básicos ordenados como muestra la figura 2.7. Estos elementos
pueden no ser partes distintas o equipos separados, pero todas las funciones de
los subsistemas estarán presentes. La entrada global al sistema de control es el
valor requerido de la variable, y la salida es el valor real de la variable.
Los elementos básicos se presentan a continuación:
Elemento de comparación. Este elemento compara el valor requerido o de
referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se
obtiene a la salida, y produce una señal de error lo cual indica la diferencia
del valor obtenido a la salida y el valor requerido.
Señal de error = Señal del valor de referencia – Señal del valor medido
Elemento de control. Este elemento decide que acción tomar cuando se
recibe una señal de error. A menudo se utiliza el término controlador para
un elemento que incorpora el elemento de control y la unidad de corrección.
Elemento de corrección. Este elemento se utiliza para producir un cambio
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en el proceso al eliminar el error, y con frecuencia se denomina actuador.
Elemento proceso. El proceso, o planta, es el sistema donde se va a
controlar la variable.
Elemento de medición. Este elemento produce una señal relacionada con la
condición de la variable controlada, y proporciona la señal de
retroalimentación al elemento de comparación.
Una característica necesaria de un sistema de control en lazo cerrado es el lazo
de retroalimentación. Éste es el medio a través del cual una señal relacionada con
la variable real obtenida se retroalimenta para compararse con la señal de
referencia. Se dice que se tiene retroalimentación negativa cuando la señal
retroalimentada se sustrae del valor de referencia, esto es,
Señal de error = valor de referencia – señal de retroalimentación
La retroalimentación negativa es necesaria para que se logre el control.
Figura 2.7. Subsistemas en un sistema de control en lazo cerrado
Salida,
variable
controlada
Elemento
de
Seña
l de
erro
r
Realimentación
Entrada, valor de referencia
+ -
Elemento de
control
Elemento de
corrección
Elemento de
proceso
Elemento de
medición
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2.8. Control de Lazo Cerrado
Un sistema de control en lazo cerrado tiene una señal de retroalimentación hacia
la entrada desde la salida, la cual se utiliza para modificar la entrada de modo que
la salida se mantenga constante a pesar de los cambios en las condiciones de
operación.
En un sistema de control en lazo cerrado la salida sí tiene un efecto sobre la señal
de entrada, y la modifica para mantener una señal de salida en el valor requerido.
2.9. Control Automático
Un sistema de control automático es aquel cuyos componentes físicos regulan su
actuación por sí mismos, es decir, sin intervención de agentes externos. Tiene
como fin lograr el mantenimiento de un valor de salida deseado. Esto puede
realizarse midiendo el valor de la salida existente del sistema, compararlo con el
valor deseado, y utilizar la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia,
el incorporar un lazo cerrado al control automático brindará un buen rendimiento
del sistema.
2.10. Controlador Automático
El controlador automático es el corazón de todo sistema de control automático y
puede ser definido como un dispositivo que maneja una entrada (desviación o
error), para producir una salida que es función de la forma matemática en que ha
sido programado.
Figura 2.8. Diagrama a bloques de la definición de un controlador automático
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Código digital
de entrada
La forma matemática en que el controlador maneja la entrada es mejor conocida
como modo de control.
2.11. Control Digital
Los sistemas de control digital difieren de los sistemas continuos, o analógicos, en
que las señales en uno o más partes de ellos se encuentran en forma de trenes de
pulsos o códigos numéricos. En general, los datos digitales son las señales
generadas por computadoras o transductores digitales; lo usual es que estos
datos se encuentren codificados de alguna manera en formato digital.
Los elementos básicos de un sistema de control digital común son:
Figura 2.9. Sistema de control digital común
La conversión digital-analógica, o decodificación, consiste en transformar la
información numérica contenida en una palabra digital en una señal analógica
equivalente.
2.12. Controlador Digital PID
Uno de los controladores más utilizados en el diseño de sistemas de control es el
controlador proporcional – integral – derivativo (PID). Dicho controlador actúa
sobre una señal de error e(t).
Salida Computadora
Digital
Convertidor
digital-
analógico
Proceso
controlado
Convertidor
analógico-
digital
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Ecuación 2.4. Ecuación del controlador PID
El control proporcional multiplica e(t) por una constante , el control integral
multiplica la integral con respecto al tiempo de e(t) por una constante y el
control derivativo genera una señal igual a veces la derivada con respecto al
tiempo de e(t). La función del control integral es proporcionar una acción que
disminuya el área bajo e(t), lo que conduce a la reducción del error de estado
estacionario. El control derivativo proporciona una acción anticipativa que reduce
el sobreimpulso y las oscilaciones de la respuesta en el tiempo. En este caso, el
control proporcional se implanta con una constante proporcional .
A continuación se muestran las funciones de transferencia para implementar de
manera digital la integración y la derivación.
Para la integración
Ecuación 2.5. Función de transferencia para la integración de manera digital para la derivación.
Ecuación 2.6. Función de transferencia para la derivación de manera digital.
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𝑢 𝑘𝑇
Kp
𝑢 𝑧
𝑒 𝑘𝑇
𝐸 𝑧
𝐷𝐼 𝑧
𝐷𝐷 𝑧
El diagrama de bloques correspondiente al controlador digital PID es el siguiente:
Figura 2.10. Controlador digital PID
Siendo la siguiente función de transferencia la que representa el controlador PID
Donde es la constante del control proporcional, es el control integral y
es el control derivativo.
La ecuación anterior se sintetiza de la siguiente manera:
Ecuación 2.7. Función de transferencia de un controlador PID digital.
En consecuencia, el controlador digital PID tiene un polo en z=0 y otro en z=1-
Existen dos ceros que pueden ser reales o complejos conjugados [7].
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2.13. Estrategia de control en cascada
Cuando un algoritmo de control con lazo simple, sea P, PI, PD o PID no es
suficiente para dar una respuesta satisfactoria del sistema, o este posee una
variable secundaria, medible a costo razonable, en estos casos es recomendable
la utilización de una estrategia de control en cascada, la cual es necesaria cuando
las perturbaciones afectan directamente a la variable de proceso manipulada, así
como para mejorar las prestaciones dinámicas del sistema.
Este tipo de estrategia de control utiliza la medida de variables internas para
detectar rápidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción
correctora.
La estructura de control en cascada se caracteriza por dos controladores
realimentados anidados, siendo la salida del primario el punto de consigna del
controlador secundario, por lo que la salida de este último es la que actúa
directamente sobre el proceso, ver figura 2.11.
Es por ello, que la solución al problema es dotar al sistema de un controlador
específico para regular la variable manipulada, ajustándose este a partir de la
señal de salida del controlador principal, por lo que se propone un sistema de
control que base su regulación en la medida directa del caudal que pasa por la
tubería.
El sistema de control propuesto en esta obra, conformado de dos controladores
proporcionales anidados entre sí, constituye un control en cascada.
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Figura 2.11. Diagrama a bloques del sistema de control en cascada propuesto.
CONTROLADOR
PRIMARIO CONTROLADOR
SECUNDARIO
VALVULA PROCESO
TRANSMISOR
VARIABLE
PRIMARIA
TRANSMISOR
VARIABLE SECUNDARIA
-
-
+ +
Set-
Point
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CAPÍTULO III Desarrollo
En este capitulo se desarrolla toda la parte del control del sistema, así como los
circuitos electrónicos utilizados para adecuar las señales entregadas por los
sensores y la etapa de potencia del motorreductor. Se analizarán y se justificará
todos los elementos electrónicos, los algoritmos y las estrategias de control
propuestas para el desarrollo del proyecto, conformado de tres partes medulares,
las cuales se explican a continuación:
Etapa de adquisición de datos: esta es la encargada de adecuar las señales
otorgadas por los sensores (presión, flujo, posición) a niveles compatibles con el
microcontrolador MSP430G2452, él cual es el encargado del control de la
servoválvula y la monitorización de la variable presión.
Etapa de control: esta es la encargada de darle el carácter autómata al sistema,
calculando la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere
obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso, logrando así,
una rápida estabilidad y respuesta al estado estacionario del sistema, en este caso
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se trata de un control en cascada como estrategia de control, el cual se desarrolla
más adelante.
Etapa de potencia: esta es utilizada para energizar los devanados del motor de CD
por medio de un puente H encargado a su vez de controlar el sentido del giro y la
velocidad del motor.
Figura 3.1. Diagrama general del sistema de control
En el Anexo E, se pueden observar imágenes reales del sistema físico.
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3.1. Etapa de adquisición de datos.
La etapa de adquisición de datos es una de las más importantes en un sistema
automático, puesto que, de ésta depende en gran medida que nuestro controlador
funcione adecuadamente. Como se explico anteriormente, ésta propuesta consta
de un sistema de control en cascada, el cual tiene la tarea de regular la posición
del motorreductor y al mismo tiempo controlar la variable flujo de la servoválvula.
Es por eso que, a continuación se detalla el método utilizado para la adquisición
de datos de cada una de las variables en cuestión; sean estas solo indicativas
(presión) o que estén incluidas en el lazo de control (posición, flujo).
3.1.1. Adquisición de datos de la variable presión.
A continuación se muestra la adquisición de datos del sensor de presión
manométrica MPX2010GP, el cual tiene un span de 25 mV.
Se realizó una adecuación de la señal por medio del circuito amplificador de
instrumentación INA128, el cual fue utilizado con una ganancia de 100 veces la
señal de entrada para poder obtener un máximo de 2.5 Volts. Dicho valor es el
voltaje de referencia interno del convertidor analógico-digital del microcontrolador
MSP430G2452, el cual como ya fue mencionado, tiene una resolución de 10 bits.
Por tanto, al usar la referencia interna de 2.5 volts, tenemos:
Lo cual indica la resolución del convertidor analógico digital, por ejemplo:
Si el convertidor analógico digital ve a su entrada un voltaje igual o mayor a 2.5
volts, este será digitalizado con la siguiente formula:
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Es decir, que el máximo valor digitalizado, es el numero decimal 1023 o
hexadecimal 0x03FF para una entrada de voltaje de 2.5 volts.
La señal analógica de entrada es convertida a través del BIT 2 del puerto 1 del
microcontrolador, el cual está configurado para hacer conversiones continuas. El
valor digitalizado del sensor de presión es mostrado en un LCD 16x2, en el cual se
puede observar el porcentaje de la presión que posee el contenedor. El código del
programa de la adquisición de datos y visualización de la variable presión se
muestra en el anexo D.
Por otro lado, los valores de presión medidos por el sensor MPX2010GP en las
diferentes alturas del tanque se muestran a continuación:
Altura (m)
Presión
(KPa)
0.1 0.981
0.2 1.962
0.3 2.943
0.4 3.924
0.5 4.905
0.6 5.886
0.7 6.867
0.8 7.848
0.9 8.829
1 9.81
Tabla 3.1. Altura vs. Presión
Para la visualización del comportamiento de la variable de presión en el sistema
se realizó su gráfica en Matlab.
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Figura 3.2. Gráfica altura vs presión
3.1.2. Adquisición de datos de la variable flujo
Al ser la variable flujo parte fundamental de los lazos de la estrategia de control en
cascada, ésta debe ser adquirida mediante el microcontrolador MSP430G2452,
sin embargo, la salida del sensor de flujo está dado por la relación de frecuencia
vs flujo.
Los valores de frecuencia entregados por el sensor de flujo tipo turbina en las
diferentes alturas del tanque se muestran a continuación:
Altura (m)
Frecuencia
(Hz)
0.21 22.45
0.26 25.37
0.31 28.15
0.36 31.03
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10Altura vs Presion
KP
a
m
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0.41 33.2
0.46 35.46
0.51 37.88
0.56 39.96
0.61 41.66
0.66 43.45
0.71 45.39
0.76 47.1
0.81 48.35
0.86 48.62
0.91 48.88
Tabla 3.2. Altura vs. Frecuencia.
Para el cálculo del flujo que pasa a través del sensor a las diferentes alturas se
realizó una interpolación de los valores de frecuencia y su respectivo flujo,
contenidos en la hoja de datos del sensor. Los valores obtenidos son los
siguientes:
Frecuencia
(Hz)
Flujo
(GPM)
22.45 1.8061
25.37 1.9702
28.15 2.1388
31.03 2.3166
33.2 2.4506
35.46 2.5811
37.88 2.7155
39.96 2.8311
41.66 2.9255
43.45 3.0264
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45.39 3.1405
47.1 3.2411
48.35 3.3147
48.62 3.3305
48.88 3.3458
Tabla 3.3. Frecuencia vs. Flujo
Para la visualización del comportamiento de la variable de flujo en el sistema se
muestra su gráfica a continuación:
Figura 3.3. Frecuencia vs Flujo
Para evitar retardos en el sistema de control a causa de medir frecuencia con el
microcontrolador MSP430G2452, se opto por el manejo del convertidor A/D, el
cual es un periférico independiente de la CPU del microcontrolador, por lo cual es
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 10 20 30 40 50 60
Flujo (GPM)
Flujo (GPM)
Frecuencia
Flujo
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viable la utilización de un convertidor de frecuencia a voltaje, evitando así, posibles
retardos.
En la figura 3.5, se muestra el circuito propuesto, conformado de 3 etapas, las
cuales se explicaran a continuación.
3.1.2.1. Multiplicador de frecuencia.
Debido a que las señales de salida del sensor de flujo son muy bajas (del orden de
17 Hz a 50Hz), se deben de amplificar a valores a donde el circuito convertidor
frecuencia a voltaje sea más estable y evitar con ello la incursión de nuevos
elementos para mejorar la conversión.
Figura 3.4. Multiplicador de frecuencia
COMPIN3
VCOIN9
SIGIN14
CX16
CX27
INH5
R111
R212
PP1
PC1OUT2
PC2OUT13
VCOOUT4
DEMOD10
ZENER15
U1
4046
CKA14
Q012
CKB1
Q19
Q28
Q311
R0(1)2
R0(2)3
R9(1)6
R9(2)7
U2
74LS90
R1
10k
R2
10k
C1
1nF
R3
10k
C21nF
SENSOR_FLUJO
OUTPUT
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
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Figura 3.5. Diagrama convertidor frecuencia a voltaje
3
2
1
411
U1:A
LM324
5
6
7
411
U1:B
LM324
10
9
8
411
U1:C
LM324
12
13
14
411
U1:D
LM324
R1
5.6k
RV1
5k
R2
20k
R3
20k
R4
20k
R5
20k
R620k
RV2
10k
R7
20k
R8
10k
R9
10k
R8(1)R9(2)
U1:D(V+) U1:D(V-)
U1:C(V+)
U1:C(V-)
V+
V-
U1:A(V-)
U1:A(V+)
COMPIN3
VCOIN9
SIGIN14
CX16
CX27
INH5
R111
R212
PP1
PC1OUT2
PC2OUT13
VCOOUT4
DEMOD10
ZENER15
U2
4046
CKA14
Q012
CKB1
Q19
Q28
Q311
R0(1)2
R0(2)3
R9(1)6
R9(2)7
U3
74LS90
R10
10k
R11
10k
C1
1nF
R12
10k
C21nF
CM
IN7
TH
R6
R-C
5
IOU
T1
RE
FI
2
FO
UT
3
GN
D
4 VC
C 8
U4
LM331
R13(1)
R13
10k
R14
10k
R15
10kR16
10k
C3
1nF
R17
10k
RV3
1k
C4
1nF
R18
10k
SENSOR_FLUJO
OUTPUT (0 - 2.5 VOLTS)
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
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3.1.2.2. Circuito convertidor de frecuencia a voltaje.
Para tal fin se recurrió a la utilización del circuito integrado LM331, con la
configuración típica del convertidor en modo Frecuencia/Voltaje [14], como se
puede observar en la figura 3.4.
Figura 3.6. Circuito típico convertidor de frecuencia a voltaje
La conversión de frecuencia a voltaje depende de la relación que se muestra a
continuación:
(
)
Ecuación 3.1. Relación entre voltaje de salida y frecuencia de entrada
Por tanto:
Si la frecuencia otorgada por el sensor de flujo es multiplicada por 10 en todo el
rango, la frecuencia inferior de entrada es 170, mientras que la frecuencia máxima
seria 500.
CM
IN7
TH
R6
R-C
5
IOU
T1
RE
FI
2
FO
UT
3
GN
D
4 VC
C 8
U4
LM331
R13(1)
R13
10k
R14
10k
R15
10kR16
10k
C3
1nF
R17
10k
RV3
1k
C4
1nF
R18
10k
INPUT
OUTPUT
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Sustituyendo en la ecuación anterior obtenemos los valores máximos y mínimos
de la conversión de F/V.
Voltaje de salida mínimo:
(
)
Voltaje de salida máximo:
(
)
3.1.2.3. Circuito amplificador de instrumentación.
Puesto que la señal obtenida del convertidor F/V es pequeña, se procede a
amplificarla por medio de un circuito amplificador de instrumentación, el cual fue
diseñado con los siguientes parámetros, los cálculos y el esquema se muestran a
continuación:
Ya que la ganancia es relativamente baja, se proponen las R de 20KΩ, con lo que:
Por lo que se propuso una resistencia de precisión de 5.6KΩ en serie con un
potenciómetro de 5KΩ, el cual se regulará para obtener el valor deseado.
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Figura 3.7. Circuito amplificador de instrumentación
3.1.2.4 Calibración del circuito propuesto
Para poder obtener el rango de 0 a 2.5 volts, se llevó a cabo la siguiente
calibración:
Se introdujo una señal cuadrada con una frecuencia de 17Hz al circuito
completo propuesto y se procedió a regular el cero del circuito.
Una vez calibrado el cero del amplificador de instrumentación, se procede a
introducir una señal cuadrada con una frecuencia de 50Hz para poder
calibrar la ganancia del amplificador de instrumentación. Habiendo hecho
estos pasos se puede observar que para un barrido entre 17Hz y 50Hz se
tiene un voltaje de salida entre 0 y 2.5 volts.
3
2
1
411
U1:A
LM324
5
6
7
411
U1:B
LM324
10
9
8
411
U1:C
LM324
12
13
14
411
U1:D
LM324
R1
5.6k
RV1
5k
R2
20k
R3
20k
R4
20k
R5
20k
R620k
RV2
10k
R7
20k
R8
10k
R9
10k
R8(1)R9(2)
U1:D(V+) U1:D(V-)
U1:C(V+)
U1:C(V-)
V+
V-
U1:A(V-)
U1:A(V+)
OUTPUT (0 - 2.5 VOLTS)
INPUT
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3.1.3. Lectura de pulsos del decodificador óptico.
El decodificador óptico (encoder) acoplado al eje del motorreductor 131:1 es de
tipo incremental y proporciona una resolución de 64 pulsos por revolución que
corresponden a 8384 pulsos por revolución con el sistema de engranes. Por otro
lado, el microcontrolador cuenta con una velocidad de muestreo de 200,000
muestras por segundo (200 Ks/s), permitiendo una lectura correcta para los pulsos
proporcionados del encoder.
Cabe mencionar que el encoder cuenta con 2 canales que entregan señales en
cuadratura con un defasamiento de 90° entre ellas. En base a esta característica
se definirá y controlará el sentido de giro, como se explicará más adelante.
El microcontrolador MSP430G2452 adquirirá los pulsos del encoder por medio de
interrupciones, las cuales serán activadas por flancos de subida, y por medio de
un algoritmo de control se regulará el ángulo de apertura de la servoválvula.
3.2. Etapa de control
El control digital de la servoválvula fue desarrollado en el microcontrolador
MSP430G2452, del cual ya se habló en el capitulo dos, donde se consideró las
características mas importantes del mismo.
Para controlar el sistema, fue programado un algoritmo de control digital
proporcional, el cual basto para obtener los objetivos deseados. En el Anexo F, se
puede observar el código fuente empleado.
3.2.1 Circuito detector de giro
Una parte crucial del control de posición es la correcta detección de la dirección
del motor, es decir que para poder llevar a cabo este tipo de control teniendo
como retroalimentación la señal de un encoder incremental es muy importante
disponer de un circuito que posea la característica de poder determinar si el motor
gira en sentido horario o antihorario, para con ello tomar decisiones en las
subsecuentes etapas de control.
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El diseño se basó en la utilización de circuitos secuenciales, específicamente de
dos flip-flops tipo D, los cuales tienen el propósito de discriminar la señal de uno
de los dos canales del encoder, es decir, si el motor gira en sentido horario, la
señal del canal B se inhabilitara para dar paso únicamente al canal A, por otro lado
si el motor gira en sentido antihorario se cumple todo lo contrario.
Figura 3.8. Flip-flop tipo D.
La característica discriminatoria de este circuito lo constituye las prestaciones del
flip-flop tipo D, a continuación se muestra su tabla de verdad.
Operación Entradas Salidas
Preset Clear Reloj
(CLK)
Preset
(preposicionado)
0 1 X X 1 0
Clear (borrado) 1 0 X X 0 1
Prohibido 0 0 X X 1* 1*
Set (poner) 1 1 ↑ 1 1 0
Reset (reponer) 1 1 ↑ 0 0 1
Hold (mantener) 1 1 0 X
Tabla 3.4. Tabla de verdad Flip-flop tipo D.
De acuerdo a la figura anterior se entiende que únicamente habrá un cambio en el
estado del flip-flop tipo D cuando en la entrada de reloj se detecte un nivel positivo.
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Por otro lado, los pulsos que entregue el encoder a través del canal que quede
habilitado serán contados ascendentemente o descendentemente (según sea el
caso) con el fin de adecuar la señal y mantener en memoria la posición actual.
Figura 3.9. Circuito detector de dirección de giro.
3.2.2. Circuito PWM
Los sistemas digitales de control de servomecanismos se caracterizan, entre otras
cosas, por poseer un circuito de modulación por ancho de pulso (PWM). En este
caso, es la señal de control que se utiliza para regular la velocidad de un motor de
corriente continua.
Para trabajar con señales PWM es necesario conocer los parámetros
fundamentales, los cuales son: el periodo y ciclo de trabajo. El ciclo de trabajo
indica el tiempo que la función vale uno respecto al tiempo total (el periodo). Por
ejemplo, se muestra en la figura 3.10 tres ciclos de trabajo distintos. Se puede
observar que el periodo del PWM se mantiene constante, puesto que lo único que
cambia es el tiempo en que la señal se mantiene en uno respecto al periodo total.
D04
Q02
Q03
D15
Q17
Q16
D212
Q210
Q211
D313
Q315
Q314
CLK9
MR1
U1
74LS175
D04
Q02
Q03
D15
Q17
Q16
D212
Q210
Q211
D313
Q315
Q314
CLK9
MR1
U2
74LS175
OUTPUT_ATRAS
OUTPUT_ADELANTE
CANAL_B
CANAL_A
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Figura 3.10. Señal PWM
En otras palabras se puede decir que la función principal del PWM es variar la
corriente promedio con la cual el motor trabaja, haciendo con ello un incremento o
un decremento en la velocidad de este.
La forma fundamental de hacer una modulación por ancho de pulso se logra al
hacer una comparación entre una señal triangular continua (con frecuencia y
valores de amplitud máximos y mínimos invariantes) y una referencia constante.
La realización del control por PWM se logró a través del mismo microcontrolador
como se puede observar en el código del anexo F.
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3.2.3. Control en cascada
Como fue explicado en el capítulo anterior, un sistema de control en cascada
consta de dos controladores como mínimo, uno primario y otro secundario, en este
caso el controlador primario corresponde a la variable flujo, el cual está
conformado por el set-point (flujo deseado), un controlador proporcional digital y
como retroalimentación la señal de un sensor de flujo tipo turbina.
A su vez, el controlador secundario está conformado por un controlador
proporcional digital, un modulador por ancho de pulso (PWM) y un circuito
detector de dirección y contador de pulsos, el cual constantemente está leyendo
(contando o decrementando) la posición y discriminando uno de los canales del
encoder incremental, este último actuando como el elemento primario que otorga
la señal de retroalimentación. Cabe mencionar que la salida de este segundo
controlador es el que actúa directamente en el proceso, es decir es el que
controlara directamente la servoválvula.
En la figura 3.11, se puede observar el diagrama de bloques del sistema
propuesto.
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Figura 3.11. Diagrama de bloques general del sistema de control en cascada.
Perturbación
Válvula manual
PLANTA Servoválvula
PLANTA Tanque
CONTROLADOR Secundario
SENSOR Encoder
CONTROLADOR Primario
SENSOR De flujo
Set-Point
Salida
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3.2.4. Diagrama de flujo
A continuación se muestra el diagrama de flujo del código propuesto:
VERDADERO
FALSO
INICIO
Inicialización de variables y periféricos del
microcontrolador
Adquisición de la variable del proceso 1 (flujo) mediante
ADC
error1 = S.P. – V.P.1
error2 = error1 – V.P.2
Obtención del valor absoluto de error2
Controlador Digital
Salida PWM
Error1> V.P.2 Cierre de la
válvula
Abertura de la válvula
SUBRUTINA
DE
INTERRUPCIÓN
INTERRUPCIÓN
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Figura 3.12. Diagrama de flujo del código del algoritmo de control.
Donde:
V.P.1 = flujo
V.P.2 = posición
3.3. Etapa de Potencia.
La etapa de potencia del sistema está conformada en su totalidad por el conocido
puente H, L293.
3.3.1. Puente H.
Esta etapa consta de un circuito conformado por un puente H configurado para la
activación del motorreductor mediante la señal del PWM. Dicho puente H es
representado por el L293, éste integrado consta de 2 puentes H de alto voltaje y
alta corriente diseñados para aceptar niveles lógicos TTL así como el manejo de
cargas inductivas como relevadores y motores. Cuenta con 2 entradas de
Subrutina de interrupción
error1>V.P.2 V.P.2 - -
V.P.2 ++
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habilitación encargadas de habilitar o deshabilitar el dispositivo
independientemente de las señales de entrada. Además contiene dos fuentes de
alimentación, una de ellas para los niveles lógicos, de este modo la parte lógica
trabaja a un bajo voltaje sin verse afectada por la alimentación principal del
dispositivo [15].
Figura 3.13. Circuito integrado L293
En la siguiente configuración se muestran dos terminales de control, las cuales se
usarán para determinar la dirección de giro del motor. Mientras que la señal del
PWM se conectará a la terminal de habilitación y de esta manera se activará el
motor a la velocidad deseada. El voltaje de alimentación (Vs) es de 5 V mientras
que el voltaje de alimentación para los niveles lógicos (Vss) es de 5 V, por lo cual
solo se utilizara una fuente de energía. El esquema de configuración del L293 es
el siguiente:
Figura 3.14. Configuración del L293.
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Las resistencias SA y SB no fueron tomadas en cuenta, ambas terminales fueron
mandadas directamente a tierra.
3.4. Resultados
La figura anterior muestra una grafica resultado de la adquisición de datos por
medio de la DAQ NI USB-6008, con lo cual se aprecia la respuesta del sistema.
Por lo que podemos observar, existe una buena regulación debido a que el
controlador proporcional reduce rápido y satisfactoriamente el error en estado
transitorio, así mismo, se puede mencionar que se mantiene una respuesta
estable cuando la señal converge al valor deseado, es decir, al alcanzar el set-
point propuesto (8.5 lts/min).
Cabe mencionar que las diferentes pruebas fueron realizadas en un ambiente
distinto al de un laboratorio de pruebas. Sin embargo, se intento minimizar fuentes
de ruidos electromagnéticos que pudieran convertirse en perturbaciones
indeseadas en el sistema de control.
Por otra parte, es loable señalar que el controlador proporcional realizo un buen
trabajo al reducir el error en estado estacionario durante todo el tiempo en que el
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sistema fue utilizado, a pesar de las perturbaciones provocadas por la apertura de
las válvulas manuales, así como, de las perturbaciones indeseables; ajenas a
nuestros propósitos experimentales, como lo es, el ruido.
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CAPITULO IV Conclusión
En la actualidad, existen numerosos estudios e investigaciones sobre control en
sistemas de tanques, la gran mayoría están basados en el control de nivel de agua
u otros fluidos. Es por esto que en este trabajo se buscó analizar una variable
diferente, de gran importancia y cuyo estudio no es tan común como el nivel, esta
variable es el flujo y en base a ella gira el diseño, análisis, pruebas y conclusiones
expuestas a continuación.
Las servoválvulas constituyen en la industria un actuador de suma importancia
dentro de los procesos, sin embargo, éstas representan una fuerte inversión
económica. En este trabajo se propuso el diseño y construcción de una
servoválvula con el fin de demostrar que es posible la creación de un prototipo
capaz de regular y mantener el flujo de agua constante a través de una tubería, a
pesar de las perturbaciones deseables o indeseables que se pudieran presentar.
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En base a los objetivos propuestos se realizó un análisis para definir las
consideraciones fundamentales en el proceso de diseño, construcción y control de
la servoválvula y su aplicación en el proceso de regulación de flujo de agua;
mismas que se exponen a continuación:
Es importante realizar una elección coherente y sensata de las características
físicas del sistema, ya que la única finalidad de este trabajo es demostrar a baja
escala la viabilidad del sistema propuesto y no su inmediata aplicación en la
industria.
La presencia de dos variables a controlar en el sistema propició una evaluación
extenuante sobre la estrategia de control a utilizar. Siendo estas variables
inherentes entre sí, la mejor elección constituyó el control en cascada debido a las
prestaciones que éste otorga.
Tras el estudio de las ventajas y desventajas presentes en los controladores
analógicos y digitales se decidió utilizar un controlador digital proporcional debido
principalmente a que permite una mayor flexibilidad en la programación, lo que lo
hace más versátil que los controladores analógicos. Además de ser menos
susceptibles a variaciones en las condiciones ambientales y perturbaciones.
La parte primordial de cualquier sistema de control lo realiza una adecuada
adquisición de datos, es por ello que a lo largo de este trabajo se puso mucha
atención en el diseño de los circuitos encargados de este propósito con el fin de
lograr un control viable y preciso, acorde a nuestros fines.
Sin embargo, para trabajos posteriores, los autores de esta obra recomendamos
ampliar este proyecto de investigación al incluir el estudio de diferentes clases de
controladores y realizar una comparación exhaustiva para elegir la mejor opción.
Por otra parte, seria buena idea considerar otro tipo de fluido a parte del agua.
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página 64
Bibliografía
[1] Manual para servoválvulas y válvulas proporcionales en cadena cerrada.
VICKERS SYSTEMS S.A. 1990.
[2] TOSHIYA WATANABE ET ÁL., Development of the Small Flow Rate Water Hydraulic Servo valve. Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Meijo, Japón. 2010. [3] RONALD PAOLO BORJA ALDAZ Y BYRON RENATO PAREDES COQUE,
Diseño y la construcción de un módulo didáctico para el control de nivel de
líquidos. Departamento de Electrónica y Control, Escuela Politécnica Nacional,
Quito, Perú. 2007.
[4] ROBERT L. MOTT, Mecánica de fluidos. Pearson Prentice Hall. Sexta Edición.
2006.
[5] ANTONIO CREUS SOLE, Instrumentación Industrial. Marcombo. Séptima
Edición. 2005.
[6] MERLE C. POTTER, DAVID C. WIGGERT, Mecánica de fluidos. Ciencias e
Ingenierías. Tercera Edición. 2002.
[7] BENJAMIN C. KUO, Sistemas de control digital. Pearson Prentice Hall.
Séptima Edición. 1996.
[8] http://www.mathworks.com/products/simulink/
[9] http://www.mathworks.com/products/daq/
[10] http://www.ti.com/product/msp430g2452
[11] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/201986
[12] DATASHEET MPX2010GP, Motorola. 2008.
[13] http://www.gemssensors.com/~/media/GemsNA/InstructionBulletins/157258-h.ashx
[14] DATASHEET LM331, National Semiconductor. 2006.
[15] DATASHEET L293, Texas Instruments. 2002.
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[16] KATSUHIKO OGATA, Ingeniería de Control Moderna. Pearson Prentice Hall.
2003.
[17] RICHARD C. DORF, ROBERT H. BISHOP. Sistemas de Control Moderno.
Pearson Prentice Hall. 2005.
[18] W. BOLTON, Ingeniería de Control. Alfaomega. Segunda Edición. 2001.
[19] SPARTACUS GOMARIZ CASTRO, ET AL. Teoría de Control, Diseño
Electrónico. Alfaomega. 1999.
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ANEXOS
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Anexo A. Tabla de conversiones de unidades de presión Psi
Pulgada columna de agua
Pulgada columna de Hg
Atmósfera ⁄
Centímetro columna de
agua
Milímetro columna de
Hg Bar Pa
Psi 1 27.68 2.036 0.0680 0.0703 70.31 51.72 0.0689 6894.76
Pulgada columna de
agua 0.0361 1 0.0735 0.0024 0.0025 2.540 1.868 0.0024 249
Pulgada columna de
Hg
0.4912 13.6 1 0.0334 0.0345 34.53 25.4 0.0338 3386.39
Atmosfera 14.7 406.79 29.92 1 1.033 1033 760 1.0132
⁄ 14.22 393.7 28.96 0.9678 1 1000 735.6 0.98 98066
Centímetro columna de
agua 0.0142 0.3937 0.0289 0.00096 0.0010 1 0.7355 0.0009 98.06
Milímetro columna de
Hg 0.0193 0.5353 0.0393 0.0013 0.0013 1.359 1 0.00133 133.322
Bar 14.5 401 29.53 0.987 1.02 1020 750 1
Pa 0.00014 0.0040 0.00029
0.01 0.0075 1
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Anexo B. Microcontrolador MSP430G2452
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Anexo C. Sensor de Presión MPX2010GP
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Anexo D. Codigo de Programa adquisición de datos de la variable flujo.
#include "msp430x20x2.h"
#define LCM_DIR P1DIR
#define LCM_OUT P1OUT
#define LCM_PIN_RS BIT0 // P1.0
#define LCM_PIN_EN BIT1 // P1.1
#define LCM_PIN_D7 BIT7 // P1.7
#define LCM_PIN_D6 BIT6 // P1.6
#define LCM_PIN_D5 BIT5 // P1.5
#define LCM_PIN_D4 BIT4 // P1.4
#define LCM_PIN_MASK ((LCM_PIN_RS | LCM_PIN_EN | LCM_PIN_D7 | LCM_PIN_D6 |
LCM_PIN_D5 | LCM_PIN_D4))
#define FALSE 0
#define TRUE 1
void PulseLcm();
void SendByte(char,int);
void LcmSetCursorPosition(char,char);
void ClearLcmScreen();
void InitializeLcm(void);
void PrintStr(char *);
void vfBCD(long);
long temp;
long IntDegC;
long Porcentaje;
char UnidadMillar, Centena, Decena, Unidad;
void main(void)
// Stop watchdog timer to prevent time out reset
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
//DCO Trabajando a 1MHz aprox.
BCSCTL1 = CALBC1_16MHZ;
DCOCTL = CALDCO_16MHZ;
//Configuración del ADC10
ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_2 + MSC + REFON + ADC10ON + REF2_5V;
ADC10CTL1 = INCH_2 + ADC10SSEL_0 + CONSEQ_2;
ADC10AE0 |= BIT2;
ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC;
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InitializeLcm();
ClearLcmScreen();
SendByte(0x0C,FALSE);
SendByte(0x84,FALSE);
PrintStr("Porcs=");
for(;;)
temp = ADC10MEM;
Porcentaje = (temp * 10000)/(1023);
IntDegC = ((temp * 2500)/1023);
vfBCD(Porcentaje);
SendByte(0x8A,FALSE);
SendByte(UnidadMillar,TRUE);
SendByte(Centena,TRUE);
SendByte(0x2E,TRUE);
SendByte(Decena,TRUE);
Unidad = Unidad + 0x30;
SendByte(Unidad,TRUE);
__delay_cycles(5555555);
void PulseLcm()
LCM_OUT &= ~LCM_PIN_EN;
__delay_cycles(200);
LCM_OUT |= LCM_PIN_EN;
__delay_cycles(200);
LCM_OUT &= (~LCM_PIN_EN);
__delay_cycles(200);
void SendByte(char ByteToSend, int IsData)
LCM_OUT &= (~LCM_PIN_MASK);
LCM_OUT |= (ByteToSend & 0xF0);
if (IsData == TRUE)
LCM_OUT |= LCM_PIN_RS;
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else
LCM_OUT &= ~LCM_PIN_RS;
PulseLcm();
LCM_OUT &= (~LCM_PIN_MASK);
LCM_OUT |= ((ByteToSend & 0x0F) << 4);
if (IsData == TRUE)
LCM_OUT |= LCM_PIN_RS;
else
LCM_OUT &= ~LCM_PIN_RS;
PulseLcm();
void LcmSetCursorPosition(char Row, char Col)
char address;
if (Row == 0)
address = 0;
else
address = 0x40;
address |= Col;
SendByte(0x80 | address, FALSE);
void ClearLcmScreen()
SendByte(0x01, FALSE);
SendByte(0x02, FALSE);
void InitializeLcm(void)
LCM_DIR |= LCM_PIN_MASK;
LCM_OUT &= ~(LCM_PIN_MASK);
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__delay_cycles(100000);
LCM_OUT &= ~LCM_PIN_RS;
LCM_OUT &= ~LCM_PIN_EN;
LCM_OUT = 0x20;
PulseLcm();
SendByte(0x28, FALSE);
SendByte(0x0E, FALSE);
SendByte(0x06, FALSE);
void PrintStr(char *Text)
char *c;
c = Text;
while ((c != 0) && (*c != 0))
SendByte(*c, TRUE);
c++;
void vfBCD(long D)
UnidadMillar = 0x30;
Centena = 0x30;
Decena = 0x30;
if ( D >= 1000 )
do
D-=1000;
UnidadMillar++;
while ( D >= 1000 );
if ( D >= 100 )
do
D-=100;
Centena++;
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while ( D >= 100 );
if ( D >= 10 )
do
D-=10;
Decena++;
while ( D >= 10 );
Unidad = D;
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Anexo E. Código de programa del controlador digital proporcional #include <msp430g2452.h>
#include <math.h>
#include <float.h>
#include <stdlib.h>
short set_point=0,acumulador=0x0000;
short error=0,pwm=0,flujo=0,error_flujo=0,error_posicion=0;
short int pwm_abs=0;
void main( void )
// DETIENE EL WATCHDOG TIMER
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
//DCO Trabajando a 16MHz aprox.
BCSCTL1 = CALBC1_16MHZ;
DCOCTL = CALDCO_16MHZ;
P1SEL = 0x00;
P1SEL |= BIT2;
P1DIR |= BIT2+BIT3+BIT4;
P1DIR &= ~(BIT1+BIT5);
P1OUT = 0x00;
P2OUT = 0x00;
P2SEL = 0x00;
P2DIR &= ~BIT5;
//Configuración del ADC10
ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_1 + MSC + REFON + ADC10ON + REF2_5V;
ADC10CTL1 = INCH_1 + ADC10SSEL_0 + CONSEQ_2;
ADC10AE0 |= BIT1;
ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC;
//CONFIGURACION TIMER_A
CCR0 = 800; //Periodo o Frecuencia del PWM
CCTL1 = OUTMOD_7;
CCR1 = 480; //Ancho de Pulso PWM
TACTL = TASSEL_2+MC_1;
P1IE |= BIT5;
P1IES |= BIT5;
P2IE |= BIT5;
P2IES |= BIT5;
_EINT();
_BIS_SR(GIE);
set_point = 7000;
for(;;)
//Primer Controlador
flujo=ADC10MEM*8;
error_flujo=set_point-flujo;
//Segundo Controlador
error_posicion = error_flujo - acumulador;
pwm_abs=abs(error_posicion);
pwm = (pwm_abs)/(28);
CCR1 = pwm + 480;
if(error_flujo > acumulador)
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flujo = ADC10MEM*8;
error_flujo = set_point - flujo;
error_posicion = error_flujo - acumulador;
pwm_abs=abs(error_posicion);
pwm = (pwm_abs)/(28);
CCR1 = pwm + 480;
P1OUT |= BIT3;
P1OUT &= ~BIT4;
else
flujo = ADC10MEM*8;
error_flujo = set_point - flujo;
error_posicion = error_flujo - acumulador;
pwm_abs=abs(error_posicion);
pwm = (pwm_abs)/(28);
CCR1 = pwm + 480;
P1OUT |= BIT4;
P1OUT &= ~BIT3;
//Fin for
//Fin main
// Rutina de servicio de interrupcion del puerto 1
#pragma vector=PORT1_VECTOR
__interrupt void Port_1(void)
acumulador++;
P1IFG=0x00;
asm("RETI");
// Rutina de servicio de interrupcion del puerto 2
#pragma vector=PORT2_VECTOR
__interrupt void Port_2(void)
acumulador--;
P2IFG=0x00;
asm("RETI");
/*
Control en Cascada
"Primer controlador" -> Control de Flujo
error_flujo=set_point-flujo
Segundo Controlador -> Control de Posición
error_posicion=error_flujo-acumulador
*/
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Anexo F. Imagenes del sistema de proceso.
Figura F.1. Circuito – Adquisición de la variable presión.
Figura F.2. Circuito – Etapa de adquisición de datos del sistema.
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Figura F.3. Circuito – Etapa de control y de potencia
Figura F.4. Motorreductor de DC con encoder
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Figura F.5. Sensor de flujo tipo turbina.
Figura F.6. Indicador de flujo.
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Figura F.7. Tubería y válvula de globo acoplada mecánicamente a un motorreductor de DC con encoder.
Figura F.8. Sistema de control – Servoválvula para el control de flujo.