Levitador Magnético

Fabiana María Granada Rojas

Jhon Alexander Amaya Suarez

Miguel Ángel hoyos Arcila

Jorge Leonardo Vanegas A.

Sistemas Dinámicos

STELLA JUDITH OLIVERO MARQUEZ

V semestre

Universidad Del Quindío

Ingeniería Electrónica

2011

Levitador Magnético

La planta de control del Levitador magnético creada por estudiantes de la Universidad Del Quindío La fuerza producida por el campo magnético en una esfera de hierro se opone a la fuerza producida por la aceleración de la gravedad, sin embargo, el punto de equilibrio de estas fuerzas, es decir el lugar donde en magnitud son iguales pero en direcciones opuestas es muy pequeño y de naturaleza inestable por lo que se hace necesario controlar la magnitud del campo magnético y esto se logra controlando la corriente que circula por el electroimán. El presente trabajo abarca el diseño, la construcción, el modelado y el control de un prototipo de laboratorio de levitador magnético. Éste comprende diversos subsistemas, como la estructura mecánica; la electrónica de censado y de potencia; el programa de cómputo tanto para el microcontrolador que se encarga de acoplar los sensores y de generar una señal PWM como para realizar el control digital por medio del computador. La instrumentación del prototipo ha sido implantada con un arreglo de sensores infrarrojos para medir la altura de la esfera que cumple con la característica de no generar vínculos mecánicos entre ésta y el sensor. Para medir la corriente se utilizó un sensor de efecto Hall que se encarga de convertir corriente en voltaje donde posteriormente con amplificadores operacionales se realiza el acondicionamiento de la señal. Con la planta una vez construida se obtienen los parámetros del modelo matemático de manera experimental y se valida su funcionamiento con técnicas de control clásico como lo son el PD y el PID implementados digitalmente tanto en labVIEW como en Matlab. Para la adquisición de los datos se ha utilizado la tarjeta PCI-DAS6014 propia del laboratorio de control y también una comunicación serial propia de la planta. Por último se implementó un controlador PD análogo para controlar la posición de la esfera a 24 milímetros del núcleo.

Consiste en un sistema que regula el nivel de agua en un tanque de geometría cónica. Esto se logra gracias al control que tiene el sistema sobre el llenado y vaciado del tanque que se hace de acuerdo con la señal de control, estos niveles son de tipo sensoriales, lo que hacen es regular la señal de control de entrada con una realimentación, para así informar a la entrada lo que pasa a la salida

Elementos de la bucla típica:

En la bucla típica de lazo cerrado o sistema realimentado se reconocen los siguientes elementos que constituyen el sistema de tanque cónico para su

eficaz funcionamiento como regulador de nivel y obtener un excelente sistema de control inteligente sobre el tanque cónico;

Referencia:

Este dato es muy importante para tenerlo en cuenta en el momento del control, ya que es un objetivo, es el punto ideal el cual tiene que ir comunicado con la salida para que sea realimentado con la entrada, así podemos corregir cualquier tipo de error de inestabilidad. en este caso la señal de referencia es el flujo de entrada en la cual se mantiene un nivel de agua h0 que es el nivel

máximo permitido. Este flujo esta dado por

Donde S2 es la sección transversal de la tubería de desagüe y g es la gravedad

Comparador:

En este caso se utilizo un amplificador operacional en configuración de restador para obtener la diferencia entre la señal generada por el sensor y la señal de referencia (voltaje de referencia), esto con el fin de corregir cualquier tipo de inestabilidad, ya que del sensor nace una pequeña cantidad de voltaje al detectar el nivel de agua en que se encuentra el tanque en términos de la altura. Y la resta lo que permite es darnos un dato en forma de señal (voltaje), que controlara la regulación del tanque con otros elementos.

Sensor:

Este sistema tiene varios sensores que funcionan de diferente manera como lo son:

Sensor resistivo: este consiste de un potenciómetro el cual varía su resistencia de acuerdo al torque que ejerza sobre él un flotador que de acuerdo al nivel del agua varía su posición, es decir de acuerdo a la altura que llegue el agua así mismo varía la resistencia, ya que el potenciómetro actúa como punto de equilibrio de movimiento del flotador Este dispositivo se comporta de una forma lineal

Sensor ultrasónico: consiste de un emisor y un receptor de ondas de presión ultrasónica calcula el nivel del agua dependiendo de las ondas que se reflejan en la interfaz (superficie) las cuales cambian de amplitud y fase dependiendo de la distancia de la superficie. Otra forma de obtener la distancia de la superficie es registrar el tiempo desde que se produce la transmisión hasta el

momento de la recepción de la onda, este tiempo es proporcional a la distancia recorrida por las ondas.

Sensor de caudal: consta de un sensor óptico y un disco ranurado junto con un microcontrolador Freescale JK3. El sensor óptico capta los pulsos que obtiene del disco y los envía al microcontrolador el cual cuenta los pulsos y de esta forma se obtiene la frecuencia con que se generan los pulsos la cual es proporcional al caudal entregado.

El sensor óptico consta de dos diodos infrarrojos (emisor y receptor) que entrega pulsos al micro controlador de acuerdo a la interrupción externa

Actuador:

Motobomba: es una bomba que tiene acoplada en su cuerpo estructural un motor eléctrico a cambios graduales el mismo eje del motor es el eje de la bomba que mueve la turbina.

Contiene un sistema de aspas impulsada por un motor DC. Esta hace fluir agua desde el tanque de suministro hasta el tanque cónico de acuerdo al control que se hace con un microcontrolador Freescale JK3 el cual genera una onda cuadrada

Electroválvula: Hay varios tipos, según el numero de agujeros y posiciones, es como los interruptores conmutadores de cruzamiento Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar la válvula.

Es el dispositivo encargado del vaciado del tanque

Variable manipulada:

La variable manipulada que consideramos en esta planta es el flujo de entrada q1 el cual cambia de acuerdo al actuador para mantener el nivel de agua del tanque en referencia o en el nivel deseado. Esta variable manipulada es aquella señal del cuerpo de la maquina, que ha sido comparada con el amplificador operacional en configuración de restador para asi obtener un sistema estable en cualquier momento sin márgenes de errores grandes.

Señal de salida: (variable controlada) es el nivel del agua en el tanque h

Planta: es el sistema o proceso a controlar en este caso el llenado del tanque

Rango de funcionamiento de los elementos

La señal de entrada (u) que activa la motobomba oscila en un rango entre 0.5 y 5 voltios, el caudal a través de la motobomba es proporcional a la señal de

entrada así:

Para 0.5v< <5v.

Para la señal de salida medida por cada uno de los sensores tenemos:

La señal medida por el sensor resistivo (b1) está en un rango entre 0.0362 y

4.98 voltios y está en función del nivel del agua

El sensor ultrasónico mide una señal de salida h y para convertirla en una señal de voltaje (b2) que está en un rango de 0 a 5 voltios y está dada por:

El sensor de caudal obtiene la variable manipulada q1 que sale del actuador (motobomba). La señal de voltaje que genera este sensor está entre 0.5 y 5 voltios y está relacionada con el caudal de entrada por:

La señal de referencia dependiendo del sensor es de 4.67 voltios para el sensor resistivo y 4.51 voltios para el sensor ultrasónico. Para mantener el nivel de referencia (h0) de 18cm

Conclusiones:

- En la vida real todos los sistemas son no lineales, por su funcionamiento y complejidad a la hora de actuar

- El sistema del tanque cónico es un claro ejemplo de estabilidad, por su realimentación o comunicación de la salida con la entrada a través de pequeñas señales de voltajes

- Se logro obtener el modelo analítico (ecuación diferencial) que describen el comportamiento dinámico del sistema propuesto.

- Al observar en la tesis el proceso de identificación alrededor del punto de operación mostro un comportamiento aceptable y se pudo verificar que el sistema mantiene un comportamiento lineal en los puntos próximos a este valor.