Manual de Prácticas de Instrumentación Virtual 2015

 

TECN OL GI GICO CO NA NACI CION ONAL AL DE M XI XICO CO TECNOL

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD.GUZMAN

 

 

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. GUZMÁN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA  

MANUAL DE PRÁCTICAS DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

J ORG ORGE E HORACIO HORACIO MEJÍA GA GARCÍA RCÍA

CD. GUZMÁN, JALISCO, MÉXICO, NOVIEMBRE DE 2015

 

Índice

Presentación……………………………………………………………..   iii Objetivo General del Manual………………………………………….. vi

 

Relación de Prácticas del Curso………………………………………..  vii Programa del Curso Instrumentación Virtual………………………..  xi Práctica 1 Generación de Funciones en Matlab……………………………………..  1 Práctica 2 La Transformada Discreta de Fourier (DFT)…………………………….  7 Práctica 3 ……………………………………………………………  Filtro Antialias Práctica 4 La Transformada z Inversa……………………………………………….  Práctica 5 Filtros Digitales…………………………………………………………..  Práctica 6 Instrumentoss y Subinstrumentos Instrumento Subinstrumentos Virtuales……………………………….  Práctica 7 Estructuras………………………………………………………………..   Práctica 8 Controlador PID Discreto………………………………………………...   Práctica 9 Arreglos y Clusters……………………………………………………….   Práctica 10 Cartas y Gráficos…………………………………………………………  Práctica 11 Adquisición y Generación de Datos……………………………………...   Práctica 12 Registrador Multivariable Multivariable………………………………………………...   Práctica 13 Analizador de Espectros…………………………………………………. 

 

12 17 22 29 36 44 50 56 63 72 81

i

 

Índice____________________________________________________________________

Práctica 14 Generador de Funciones…………………………………………………  Práctica 15 Osciloscopio Virtual……………………………………………………..   Práctica 16 Control On-Off de un Proceso…………………………………………...   Práctica 17 Control PI de un Motor de C.D………………………………………….  Práctica 18 Control PID de una Planta……………………………………………….  Práctica 19 Compensador Discreto…………………………………………………..  Práctica 20 Controlador Difuso……………………………………………………… 

92 99 107 114 120 126 135

Bibliografía……………………………………………………………...   145

ii

 

 

Presentación  El Modelo Educativo para el Siglo XXI, surge como estrategia del Sistema  Nacional de Educación Superior Tecnológica, Tecnológica, el SNEST, para hacer frente los retos que implican las transiciones demográfica, económica, política y social que marcan el presente y el futuro de México. La dimensión académica de este modelo, integra los parámetros de referencia para la formación profesional, la concepción del aprendizaje y sus condiciones, así como los estándares de la  práctica educativa en el SNEST. La educación en el SNEST se concibe como un proceso continuo de desarrollo de todas las potencialidades potencialidades del ser humano, que lo orienta hacia la búsqueda de su plenitud en el aprender a ser, a hacer, a aprender, a emprender y a convivir, lo cual lo convierte en un ciudadano y un  profesionista  profesionis ta consciente, responsable responsable y solidario. El Modelo privilegia las experiencias de aprendizaje sobre las formas de enseñanza Tradicional, fomenta el trabajo colaborativo y el desarrollo de las competencias, buscando la construcción de ambientes de aprendizaje, dentro y fuera de las instituciones. El SNEST busca asegurar la formación integral del ser humano, para ello considera que, en todo proceso de aprendizaje, son esenciales las acciones del facilitador y de la persona que construye su conocimiento, desde la perspectiva que el proceso es un escenario de aprendizajes significativos para ambos. Con la finalidad de de dar cumplimiento a las metas del SNEST y de la DGEST, se hace necesario que los facilitadores del aprendizaje nos involucremos de lleno en el nuevo modelo, y una de las acciones que se hace necesario tomar inmediatamente, es la de dar inicio al cambio del modelo tradicional por el nuevo, no solo en las aulas, sino también en los laboratorios. De aquí se desprende la gran importancia que tiene el desarrollar nuevos manuales de prácticas, con metodología acorde al nuevo modelo, en los cuales se fomente la investigación, el trabajo colaborativo, la creatividad y el desarrollo de las competencias. Con el presente manual se pretende pretende que los los estudiantes estudiantes del del curso de  Instrumentación Virtual  se vean beneficiados al contar con un manual de  prácticas acorde a los nuevos criterios, que les sirva como guía para facilitarles un aprendizaje significativo, al fomentar el trabajo en equipo, la investigación, la creatividad y el desarrollo de competencias. Para el profesor que imparta el curso, este manual de prácticas se convertirá en un poderoso aliado, al permitirle planear planear eficientemente eficientemente las actividades a desarrollar desarrollar en las horas práctica, dentro del laboratorio. iii

 

Presentación_______________________________________________________________

El manual está diseñado para ser utilizado por alumnos de las carreras de ingeniería eléctrica y electrónica que hayan acreditado cursos de  programación, ecuaciones diferenciales, análisis de circuitos eléctricos, análisis de Fourier, electrónica analógica, instrumentación y control. En él se ha incluido un total de 20 prácticas, con las cuales se cubre la totalidad de los temas que se contemplan en el curso de instrumentación virtual, el cual está conformado por cuatro unidades: 1. Introducción al procesamiento digital de señales, 2. Programación en Lenguaje G, 3. Instrumentos virtuales de registro y análisis y 4. Implementación de controladores digitales. Con las primeras cinco prácticas se introduce al alumno en los conceptos fundamentales del procesamiento digital de señales: señales continuas y discretas, señales muestreadas, la transformada discreta de Fourier, espectro de señales muestreadas, el teorema del muestreo, frecuencias alias, filtros antialias, la transformada  z  y los filtros digitales IIR y FIR, con lo que se cubren los temas que corresponden a la primer unidad del curso. Estos conceptos serán retomados posteriormente, para aplicarse en el desarrollo de instrumentos de análisis y control. Las prácticas 6 a 11 contemplan todos los conceptos correspondientes a la segunda unidad del curso, que trata sobre los fundamentos de la programación en Lenguaje G: edición y depuración de instrumentos virtuales, subinstrumentos virtuales, estructuras de control, arreglos y clusters, gráficos y el manejo de dispositivos de adquisición de datos. En las prácticas 12 a 15, correspondientes a la tercer unidad, se desarrollan distintos instrumentos virtuales para el registro y análisis de señales: registrador para distintas variables de un proceso, analizador de espectros, generador de funciones y un osciloscopio virtual. Finalmente, en las prácticas 16 a 20, se implementan distintos controladores  para operar en tiempo real: control On-Off On -Off de un proceso, control PI para un motor de C.D., control PID de una planta, compensador discreto y un controlador PID difuso para un proceso. Estas últimas prácticas, que corresponden a la cuarta unidad del curso, pueden ser manejadas como  proyectos, y ser desarrolladas desarrolladas fuera del horario de laboratorio laboratorio asignado. El manual se ha escrito en un lenguaje sencillo y claro, de tal forma que el alumno pueda contar, durante el desarrollo de las prácticas, con una guía clara y confiable, que le permita trabajar en equipo sin la constante supervisión del  profesor. En la introducción se presenta brevemente la teoría básica que da sustento a la práctica, por lo que es muy importante que el estudiante lea el guión de la práctica, al menos un día antes de realizarla, con la finalidad de que investigue y repase los conceptos necesarios, para desarrollarla sin contratiempos. En cada práctica se especifica la correlación con los temas del iv

 

Presentación_______________________________________________________________

 programa del curso, las competencias a adquirir, y se proporciona la relación de equipo y materiales necesarios para su realización. En la metodología se indica que se debe de hacer, y en algunos casos se presentan sugerencias, sin embargo, el alumno deberá decidir, en base a lo que ha investigado, a su criterio y a su creatividad, la mejor forma de resolver el problema que se le  plantea. También se proporcionan algunas sugerencias didácticas que es muy importante atender, así como respetar la estructura que se ha establecido para la elaboración del reporte de las prácticas por parte del alumno. Considero muy importante manifestar mi reconocimiento a todos aquellos estudiantes y compañeros profesores que hicieron sugerencias y comentarios constructivos para mej mejorar orar este manual. También También es de vital importancia agradecer a las autoridades del Instituto Tecnológico de Cd. Guzmán y de la Dirección General de Educación Superior Tecnológica, por las facilidades otorgadas para que este manual pudiese ser desarrollado.

 Jorge Horacio Mejía Mejía García Cd. Guzmán, Jalisco, Noviembre de 2015.

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Objetivo General del Manual El objetivo general del presente manual de prácticas, es el de  proporcionar al estudiante del curso de  Instrumentación Virtual, un medio didáctico efectivo para el aprendizaje del diseño e implementación de instrumentos virtuales para el registro, análisis y control de procesos, mediante la programación en lenguaje G ( LabVIEW   LabVIEW ). ).

vi

 

 

Relación de Prácticas Práctica 1 Generación de Funciones en Matlab Objetivo El alumno desarrollará programas de cómputo para generar y representar funciones continuas y discretas, mediante el software Matlab. Práctica 2 La Transformada Discreta de Fourier (DFT) Objetivo El alumno obtendrá la transformada discreta de Fourier de distintas señales muestreadas y desarrollará una función para obtener el espectro de señales discretas, mediante Matlab. Práctica 3 Filtro Antialias Objetivo El alumno diseñará un filtro antialias para eliminar las componentes de frecuencias indeseables de una señal antes de ser muestreada, y simulará su respuesta mediante Matlab. Práctica 4 La Transformada z Inversa Objetivo El alumno determinará la transformada  z  inversa de distintas transformadas mediante los enfoques de Matlab y de la ecuación en diferencias. Práctica 5 Filtros Digitales Objetivo El alumno diseñará filtros IIR y FIR y analizará la respuesta al impulso, la respuesta en frecuencia y procesará señales discretas mediante dichos filtros,  por medio de software software espec especializado. ializado. vii

 

Relación de Prácticas________________________________________________________

Práctica 6  Instrumentos y Subinstrumentos Subinstrumentos Virtuales Objetivo El alumno desarrollará instrumentos virtuales básicos y subinstrumentos virtuales, para utilizarlos en un instrumento virtual de orden superior, mediante el software LabVIEW. Práctica 7 Estructuras Objetivo El alumno desarrollará instrumentos virtuales mediante el uso de estructuras de programación tales como los ciclos FOR, WHILE, estructura CASE y los registros de corrimiento. Práctica 8 Controlador PID Discreto Objetivo El alumno implementará un controlador PID discreto virtual, mediante el algoritmo posicional, y simulará su respuesta en un sistema discreto de primer orden. Práctica 9 Arreglos y Clusters Objetivo El alumno desarrollará desarrollará instrumentos instrumentos virtuales m mediante ediante Arreglos y Clusters. Clusters. Práctica 10 Cartas y Gráficos Objetivo El alumno desarrollará instrumentos virtuales para el registro de datos, mediante el uso de cartas y gráficos de forma de onda. Práctica 11 Adquisición y Generación de Datos Objetivo El alumno implementará instrumentos virtuales para la adquisición y generación de datos, mediante una tarjeta de adquisición de datos. viii

 

Relación de Prácticas________________________________________________________

Práctica 12 Registrador Multivariable Objetivo El alumno construirá un instrumento virtual para el registro de al menos dos variables, haciendo uso de una tarjeta DAQ. Práctica 13 Analizador de Espectros Objetivo El alumno implementará un instrumento virtual para estimar el espectro de una señal en tiempo real, haciendo uso de un dispositivo DAQ. Práctica 14 Generador de Funciones Objetivo El alumno implementará un generador de funciones virtual, que operará en tiempo real, mediante una tarjeta DAQ. Práctica 15 Osciloscopio Virtual Objetivo El alumno diseñará e implementará un osciloscopio virtual, mediante el uso de una tarjeta de adquisición de datos. Práctica 16 Control On-Off de un Proceso Objetivo El alumno implementará un sistema de control en lazo cerrado de una planta física con controlador On-Off virtual, en tiempo real, mediante el software LabVIEW y una tarjeta de adquisición de datos. Práctica 17 Control PI de un Motor de C.D. Objetivo El alumno controlará la velocidad de un motor de C.D. mediante un controlador PI virtual. ix

 

Relación de Prácticas________________________________________________________

Práctica 18 Control PID de una Planta Objetivo El alumno implementará un sistema en lazo cerrado con controlador PID virtual y controlará una planta planta física física en en tiempo tiempo real. real. Práctica 19 Compensador Discreto Objetivo El alumno diseñará e implementará un compensador discreto virtual, para un  proceso físico físico de primer orden. Práctica 20 Controlador Difuso Objetivo El alumno diseñará e implementará un control de lógica difusa virtual, para controlar un proceso físico, en tiempo real.

x

 

 

Programa del Curso Instrumentación Virtual  Objetivo General del Curso:  El estudiante desarrollará la capacidad de diseñar instrumentos la adquisición de datos, el procesamiento de señales y para elvirtuales control para de procesos, mediante la programación en lenguaje G.

Temario: 1. Introducción al Procesamiento Digital de Señales 1.1. Teoría de cuantización 1.2. Señales muestreadas 1.3. Teorema del muestreo 1.4. Sistemas de adquisición de datos 1.5. Transformada z 1.6. Ecuaciones en diferencias 1.7. Filtros digitales 2. Programación en Lenguaje G (LabVIEW) 2.1. Introducción al LabVIEW 2.2. Instrumentos virtuales (VI’s)  2.3. Edición y depuración de VI’s  2.4. SubVI’s  2.5. Estructuras 2.6. Arreglos y clusters 2.7. Cartas y gráficos 2.8. Manejo de dispositivos DAQ 3. Instrumentos Virtuales de Registro y Análisis 3.1. Registrador multivariable multivariable 3.2. Analizador de espectros 3.3. Generador de funciones 3.4. Otros 4. Implementación Implementación de de Controladores Controladores Digitales 4.1. Controlador On-Off 4.2. Controlador PID 4.3. Compensadores Compensadores 4.4. Otros algoritmos de control

xi

 

 

Práctica 1 Generación de Funciones en Matlab 1.1. Objetivo El alumno desarrollará programas de cómputo para generar y representar funciones continuas y discretas, mediante el software Matlab.

1.2. Introducción Los conceptos de señales y sistemas se involucran en una gran variedad de campos, y las ideas y técnicas asociadas a estos conceptos juegan un importante rol en diversas áreas de la ciencia y la tecnología, tal como las comunicaciones, la aeronáutica, el diseño de circuitos, la acústica, la sismología, la ingeniería biomédica, la generación de energía eléctrica, el control de procesos químicos, etc.  Las señales son funciones de una o más variables independientes y suelen contener información acerca del comportamiento o naturaleza de un fenómeno. Por ejemplo, una señal de sonido puede ser representada matemáticamente matemáticam ente por la presión acústica como función del tiempo. 1.2.1. Señales Básicas  La señal continua exponencial compleja es de la forma   at    (1.1)  xt    Ce en donde C   y a  son, en general, números complejos. Dependiendo de los valores de estos parámetros, la exponencial compleja puede tomar C  a  son reales (en cuyo caso  x(t)  es llamada características diferentes. exponencial real), existenSidos  ytipos de comportamiento. Si a  es positiva, entonces  x(t)  crece en forma exponencial con respecto al tiempo. Si a  es negativa, entonces x(t) es un decaimiento exponencial. La señal exponencial discreta puede ser expresada como   akT    (1.2)     Ce  xkT  En donde k , el tiempo tiempo discreto, solo toma toma valores enteros, enteros, k=…-2, -1, 0, 1, 2, 3,…, y T  es  es el periodo de muestreo, el cual es el recíproco de la frecuencia de muestreo f SS ,  esto es   1 T     (1.3)  f S 

1

 

Práctica 1_________________________________________________________________

Una señal que está estrechamente vinculada a la exponencial compleja es la señal sinusoidal, la cual es expresada como (1.4)  xt    Acos    0t        La correspondiente versión de la señal sinusoidal discreta, es posible expresarla como  xkT    Acos    0kT       k   ...  3,   2,1,0,1,2,3,...   (1.5)  Otra función básica es la función escalón unitario, esta función está definida  por 0, ut    1,

t   0 t   0

 

(1.6)

El escalón unitario discreto puede definirse como 0, ukT    1,

k   0 k   0

 

(1.7)

Otra señal bastante útil es la señal de tiempo continuo impulso unitario δ(t), la cual se relaciona con el escalón unitario mediante la ecuación t 



ut        d       

(1.8)



Esta ecuación sugiere que  t   

 dut  dt 

 

(1.9)

La señal delta de Kronecker es posible expresarla como 0,  kT    1,

k   0 k   0

 

(1.10) 

1.3. Correlación la práctica del programa de de estudio vigentecon los temas y subtemas La práctica No. 1 brinda un importante apoyo, para que el estudiante del curso de  Instrumentación Virtual, desarrolle adecuadamente las competencias correspondientes a los principios básicos de señales de tiempo continuo y señales de tiempo discreto, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 1, “Introducción al procesamiento digital de señales” en los subtemas 1.1 “Teoría de cuantización” y 1.2 “Señales muestreadas muestreadas”. ”. Para el desarrollo de esta práctica, se pretende trabajar una serie de competencias y habilidades genéricas o transversales como son: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, interacción social, cooperación, habilidades 2

 

Práctica 1_________________________________________________________________

interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso a desarrollar durante esta práctica son: habilidad para desarrollar programas con los comandos básicos en el lenguaje Matlab, diferenciar las características y propiedades de las señales continuas y de las señales discretas, analizar e interpretar el significado de periodo y frecuencia de muestreo de una señal, y aplicar transformaciones a la variable independiente de señales continuas y discretas.

1.4. Material y equipo necesario 1.4.1. Software   Matlab 6 o superior 1.4.2. Equipo   Computadora personal 



1.5. Metodología 1.5.1. Función exponencial 1.5.1.1. Escriba un programa en Matlab para graficar la función exponencial dada por (1.11).  0  xt     at  e

t   0 t   0

 

(1.11)

Represente la función en forma continua y en forma discreta, para un intervalo de -5≤t≤5.  Represente la función discreta para dos diferentes periodos de muestreo T .  1.5.1.2. Desarrolle un programa en Matlab para graficar la función exponencial desplazada  x(t-t 0). Represente la función en forma continua y en forma discreta, para un intervalo de 0≤t≤t  f  , en donde t 0Show Help. Cuando esto se hace, podemos apreciar que al mover una herramienta de edición en torno a un nodo SubVI, la ventana Help mostrará el ícono del SubVI con los cables en cada terminal. Cualquier VI que tiene un ícono y conector puede ser utilizado como un SubVI. En el diagrama a bloques es posible seleccionar VI ’s para ser usados como SubVI’s mediante la paleta Functions>>Select a VI . Seleccionando esta opción se abre una ventana de diálogo a través de la cual se podrá seleccionar cualquier VI disponible del sistema.

6.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 6 tiene como finalidad el ser una guía para que el alumno del curso de  Instrumentación Virtual, adquiera las competencias correspondientes a los principios básicos de programación en Lenguaje G, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 2, “Programación en Lenguaje G (LabVIEW)” en los subtemas 2.1 “Introducción al LabVIEW”,  2.2 “Instrumentos virtuales (VI’s)”, 2.3 “Edición y depuración de VI’s”  y 2.4 “SubVI’s”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende que el alumno desarrolle una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: conocer el manejo de las paletas de herramientas, controles y funciones, habilidad para para crear programas programas básicos en en LabVIEW, LabVIEW, editar y depurar programas en forma gráfica, y desarrollar SubVI’s para utilizarlos en VI’s de nivel superior. 

6.4. Material y equipo necesario 6.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior 

6.4.2.   Equipo Computadora personal 

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Práctica 6_________________________________________________________________

6.5. Metodología 6.5.1. Ejecución de un programa 6.5.1.1. Abra el instrumento Vibration Analysis.vi. Este instrumento se encuentra en  Archivos de programa\ National Instruments \ LabVIEW10\ examples\ apps\ demos.llb. Ejecute el VI con  Run  y varíe el ajuste “ Acquisition Rate” . Ajuste

“Set Velocity”  y verifique la velocidad en el dial“ Actual que la velocidad actual, mostrada en el indicador Velocity”, alcance el valor de la velocidad deseada. 6.5.1.2. En el menú pull-down Window seleccione Show Block Diagram  y haga clic en el botón Highligth Execution. Execution. Ejecute el VI con Run y observe como fluyen los datos en el diagrama de bloques. 6.5.2. Creación de programas básicos 6.5.2.1. Considere un panel frontal en el cual se tienen dos controles numéricos para los números de entrada “ A”  y “ B”, así como dos indicadores digitales de salida para mostrar los resultados “ A+B”  y “ A×B”  respectivamente, también se cuenta con un  LED  redondo que se encenderá , “ A=B” Corra continuamente el cuando losmientras númerosintroduce de entrada sean iguales  programa, distintos valores en “ A”.  y valores en “ B”, para verificar la correcta operación del mismo. Una vez que el programa haya corrido satisfactoriamente, satisfactoriam ente, guárdelo con el nombre Suma multiplicación igual.vi. 6.5.2.2. De acuerdo con la ecuación (6.1), construya un instrumento virtual  para convertir la temperatura en grados Centígrados a grados Fahrenheit, de acuerdo con la ecuación (6.1). F   1.8 C  32   (6.1) Corra continuamente este VI para verificar su desempeño. Una vez probado este instrumento virtual, proceda a guardarlo como Convertir °C a °F.vi.

Figura 6.1: Temperatura y Volumen: (a) panel frontal; (b) diagrama de bloques.

6.5.3. Creación de subinstrumento subinstrumentoss virtuales (SubVI’s)  6.5.3.1. Desarrolle un VI que deberá contar con las funciones siguientes: un indicador de nivel tipo tanque con indicación digital y con la etiqueta “ Nivel”

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Práctica 6_________________________________________________________________

y con rango de 0.0 a 1000, un indicador tipo termómetro con indicador digital con la etiqueta “Temperatura” y con rango de 0.0 a 100. Utilice el instrumento instrumento virtual  Process Monitor.vi como subinstrumento, como se ilustra en la figura 6.1. 6.5.6.1. Edite el ícono ícono y el conector del subinstrumento. subinstrumento. Ejecute el programa, programa, y una vez que funcione correctamente, sálvelo como Temperatura y Volumen.vi. 6.5.3.2. Elabore un VI para convertir grados Fahrenheit a grados centígrados, de acuerdo con la ecuación (6.2).   F   32 C     (6.2) 1.8

6.5.3.3. Edite el ícono y el conector del subinstrumento, y una vez que funcione adecuadamente, sálvelo como Convertir °F a °C.vi. 6.5.4. Uso de SubVI’s en un VI  6.5.4.1. Construya un VI que deberá contar con las funciones siguientes: un selector vertical llamado “ Escala de Temperatura”, en cuya parte superior deberá tener la etiqueta “°F ” y en la posición inferior “°C ” y un indicador tipo termómetro con indicador digital con la etiqueta “ Temperatura”, el rango del indicador será de 0.0 a 100.00. 6.5.4.2. En el diagrama de bloques utilice el SubVI  Temperatura y Volumen.vi, cuya salida de temperatura será en °F , así como el SubVI Convertir °F a °C.vi, como se muestra en la figura 6.2. Salve este VI como  Escala de temperatura.vi temperatura.vi.

Figura 6.2: Uso de SubVI’s en un VI: V I: (a) panel frontal; (b) diagrama de bloques.  

6.6. Sugerencias didácticas 6.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que se presente a la práctica práctica una vez que haya investigado y practicado en el LabVIEW, el manejo de la paleta de herramientas, paleta del de editor controles, la paleta de funciones, como abrir y salvar VI’s, y ellamanejo del ícono/conector.   33

 

Práctica 6_________________________________________________________________

6.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 6.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 6.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados. 6.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

6.7. delreporte alumno 6.7.1.Reporte Desarrolla un con el contenido siguiente: 6.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  6.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizaste, así como un resumen resumen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas. 34

 

Práctica 6_________________________________________________________________  Bibliografía.-

Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

6.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Rick Bitter, Taqi

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW,, Entorno Gráfico de Programa “LabVIEW Programación” ción”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” ,

Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005. “Getting Started with LabVIEW”, National Instruments, 2003.

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Práctica 7 Estructuras 7.1. Objetivo El alumno desarrollará instrumentos virtuales mediante el uso de estructuras de programación tales como los ciclos FOR, WHILE, estructura CASE y los registros de corrimiento.

7.2. Introducción Las estructuras gobiernan el flujo de ejecución en un VI. Los ciclos FOR  y WHILE   controlan operaciones repetitivas en un VI. La diferencia entre un ciclo FOR y un ciclo WHILE  consiste  consiste en que el primero se ejecuta un número  predeterminado de veces, mientras que el segundo se ejecuta mientras que cierta condición es verdadera. Los ciclos FOR  y WHILE  se   se encuentran en la  paleta Structures del menú Functions. 7.2.1. El ciclo FOR El ciclo FOR es una estructura que repite una sección de código, un número  predeterminadoo de veces. Cuenta con dos terminales: la terminal de cuenta   predeterminad (entrada) y la terminal de iteración (salida), tal como se muestra en la figura 7.1, en donde podemos notar que se genera 100 veces un número aleatorio entre 0 y 1.

Figura 7.1: Ciclo FOR. 36

 

Práctica 7_________________________________________________________________

En un lenguaje basado en texto, el código de la figura 7.1 podría escribirse como  For i=0 to N-1  Número=rand() 

7.2.2. El ciclo WHILE El ciclo WHILE  es   es una estructura que repite una sección de código hasta que se cumple una cierta condición. Es comparable a los ciclos  DO  o  REPEATUNTIL de los lenguajes de programación tradicionales. El ciclo WHILE  cuenta  cuenta con dos terminales: la terminal condicional (entrada) y la terminal de iteración (salida). El ciclo WHILE   ejecuta el diagrama de su interior mientras la condición es verdadera (TRUE).

Figura 7.2: Ciclo WHILE.

7.2.3. Registros de corrimiento Los registros de corrimiento transfieren valores de una iteración, de un ciclo FOR  o WHILE , a la próxima. Es posible crear un registro de corrimiento haciendo presión presión con el botón derecho derecho del ratón ratón en el borde borde izquierdo izquierdo o  Add Shift Register del menú pop-up. En la derecho7.3delseciclo y seleccionando figura muestra un registro de corrimiento dentro de un ciclo FOR. La

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Práctica 7_________________________________________________________________

terminal derecha almacena el dato al finalizar la iteración. El dato de la iteración anterior es almacenado en la terminal izquierda.

Figura 7.3: Registro de corrimiento.

7.2.4. Estructuras CASE Una estructura CASE  es  es un método de ejecución de un texto condicional. Esta estructura es similar a la sentencia  If…Then…E  If…Then…Else lse  de los lenguajes convencionales. Se puede colocar una estructura CASE   en el diagrama de  bloques seleccionándola seleccionándola de la subpaleta subpaleta Structures de la paleta Functions. La estructura CASE   puede tener subdiagramas múltiples. Los subdiagramas son configurados como un mazo de cartas de las cuales solo una de ellas es visible en un instante.

Figura 7.4: Estructuras CASE: (a) booleana; (b) numérica. 38

 

Práctica 7_________________________________________________________________

7.2.5. La estructura SEQUENCE La estructura SEQUENCE   ejecuta subdiagramas secuencialmente. El subdiagrama se observa como el marco de un filme. La figura 7.5 muestra la estructura SEQUENCE .

Figura 7.5: Estructura SEQUENCE.

7.2.6. El nodo FORMULA El  NODO  FORMULA es una estructura que nos permite programar fórmulas algebraicas con una sintaxis similar a la mayoría de los lenguajes de  programación basados en te texto. xto. Es de gran utilidad cuando las ecuaciones tienen muchas variables o bien cuando se requiere un diagrama de bloques muy complejo para implementarlas.

Figura 7.6: Implementación de la fórmula de Kepler: (a) con bloques; (b) con el nodo FORMULA.

En la figura 7.6(a) se muestra la implementación de la fórmula de Kepler,  y=x-e sen(x) , mediante bloques, mientras que la implementación de la misma fórmula mediante el NODO FORMULA, se ilustra en la figura 7.6(b). 39

 

Práctica 7_________________________________________________________________

7.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente  La práctica No. 7 contribuye para que el estudiante del curso de  Instrumentación Virtual  adquiera las competencias correspondientes a las  principales estructuras de programación programación en Lenguaje G, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 2, “Programación en Lenguaje G (LabVIEW)” en el subtema 2.5 “Estructuras”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: desarrollar la habilidad para crear programas básicos en LabVIEW mediante el uso de los ciclos FOR, WHILE, CASE, registros de corrimiento, el nodo FORMULA y la estructura SEQUENCE. SEQUENCE.

7.4. Material y equipo necesario 7.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior 7.4.2. Equipo   Computadora personal 



7.5. 7.5.1.Metodología Generador de funciones 7.5.1.1. Mediante Mediante el software LabVIEW, LabVIEW, desarrolle el panel frontal de un VI en el cual se tengan 6 controles numéricos: “ No. de muestras” , “ Amplitud ”, ”,  “Frecuencia”,  “Ciclo de trabajo (%)”,  “Frecuencia de muestreo”  y  “Fase”. Incluya un selector tipo enumerado con la etiqueta “Tipo de señal”, un interruptor deslizable con la etiqueta “ Restablecer fase”, un botón de paro con la etiqueta “ Detener ” y un gráfico de forma de onda con la etiqueta “Forma de onda”, tal como se ilustra en la figura 7.7. 7.5.1.2. En el selector enumerado añada los ítems “Senoidal”,  “Triangular ”, ”,  “ Diente de sierra” y “Cuadrada”. 7.5.1.3. Construya el diagrama de bloques para cada caso, en la figura 7.8 se muestra el caso “Senoidal”.  40

 

Práctica 7_________________________________________________________________

Figura 7.7: Generador de funciones virtual.

7.5.1.4. Ejecute el programa y procure que la  frecuencia de muestreo  sea mucho mayor que la  frecuencia de la señal. Observe lo que ocurre cuando se le asigna un valor a la fase. ¿Qué efecto produce el botón de restablecer fase?

Figura 7.8: Diagrama de bloques del caso senoidal.

7.5.2. Media aritmética en línea 7.5.2.1. Diseñe un VI para determinar la media aritmética de una serie de números aleatorios, entre 0  y 1, a medida que estos se van generando. Utilice el algoritmo descrito por la ecuación en diferencias dada por (7.1). mk   kmk   1    x k    / k   1  

(7.1)  41

 

Práctica 7_________________________________________________________________

en donde  x(k) es el número aleatorio en la iteración actual y m(k) es la media actual del conjunto conjunto de números aleatorios aleatorios y k = 0,1,2... 7.5.2.2. Con la finalidad de que la ejecución del programa sea menos rápida, incluya un retardo de 50 ms en el diagrama de bloques. Utilice un indicador numérico para visualizar la media en el panel frontal. 7.5.2.3. Ejecute programa y observe la media aritmética medida corre el programa. ¿Enel que valor se estabiliza la media despuésa de milesque de datos generados?

7.6. Sugerencias didácticas 7.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que se pre presente sente a la práctica una vez que haya investigado y practicado, en el LabVIEW, el uso de las estructuras FOR, WHILE, registros de corrimiento, nodo FORMULA y la estructura SEQUENCE.  7.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier que se lesde presente a los alumnos sobre elformar guión de la práctica. 7.6.3. Paraduda el desarrollo las prácticas es conveniente tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 7.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados. 7.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

7.7. Reporte del alumno 7.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 7.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  7.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un resum resumen en del informe.

42

 

Práctica 7_________________________________________________________________  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los

conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas.  Bibliografía .- Enlista siguiente formato:

las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

7.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Rick Bitter, Taqi

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005. “Getting Started with LabVIEW”, National Instruments, 2003.

43

 

 

Práctica 8  Controlador PID Discreto 8.1. Objetivo El alumno implementará un controlador PID discreto virtual, mediante el algoritmo posicional, y simulará su respuesta en un sistema discreto de primer orden.

8.2. Introducción Durante más de medio siglo se ha utilizado exitosamente el controlador PID analógico en una gran variedad de sistemas de control industrial. La acción de control PID de un controlador analóg analógico ico está dada por 1 t    det     mt   K  et   et dt  T  (8.1) c

 

T i



d 

0



dt  

en donde e(t) es la señal de error, que actúa como entrada del controlador, m(t)  es la salida del controlador K c  es la ganancia proporcional, T i  es el tiempo integral y T dd    es el tiempo derivativo. 8.2.1. Función de transferencia pulso del controlador PID Para obtener la función de transferencia pulso del controlador PID digital, es  posible discretizar la ecuación (8.1). Al aproximar el término integral mediante la sumatoria trapezoidal y el término derivativo mediante la diferencia de dos puntos, se obtiene mkT   K c  T    e0  eT   eT   e 2T     ek   1T   ekT  ekT   T  2 2 2  i  

 T d 

ekT   ek   1T 

 (8.2)

 

T 

La transformada z de la ecuación (8.2) da como resultado    T  1    z 1 T d   1  z 1  E   M  z   K c 1       z     1 2 1  T   z T  i  

(8.3)

Podemos reescribir esta ecuación como 

 M  z   K P 

en donde



 K     I 

1

1   z

    z       D 1   z 1  E   K  

(8.4)

44

 

Práctica 8_________________________________________________________________ K cT 

K P  K c 

2T i

K  I  

K cT 

K  D 

K cT d 

T i

 K c 

K  I 

2

 Ganancia pro  propor porcio cion nal

 Ganancia Inte  Integral gral

 

 Ganancia Der  Deriv ivativ ativa a

T 

De esta forma, la función de transferencia pulso del controlador PID digital  puede expresarse expresarse por  M  K     z  (8.5) G D  z    K P       I 1  K      D 1  z 1    E  z  1   z 8.2.2. Ecuación en diferencias del controlador PID La ecuación del controlador PID digital dada por (8.5) es comúnmente conocida como la forma posicional del esquema de control PID. La ecuación en diferencias correspondiente correspondiente a este controlador PID está dada por (8.6) mk   K P  K  I   K  D ek   K P  2  K  D ek   1  K   D ek   2  mk   1   (8.6)

8.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 8 proporciona un medio para que el estudiante del curso de  Instrumentación Virtual  adquiera las competencias correspondientes a las  principales estructuras de programación programación en Lenguaje G, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 2, “Programación en Lenguaje G (LabVIEW)” en los subtemas 2.4 “SubVI’s” y  2.5 “Estructuras”. Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social,decooperación, habilidades interpersonales, del tiempo, capacidad aprender, capacidad de adaptarse a nuevas gestión situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: fortalecer fortalecer la habilidad para cr ear ear SubVI’s mediante el LabVIEW,  para utilizarlos en un VI de orden superior con la finalidad de controlar  procesos, tanto tanto en simulación simulación como en tiempo tiempo real.

8.4. Material y equipo necesario 8.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior 8.4.2. Equipo   Computadora personal 



45

 

Práctica 8_________________________________________________________________

8.5. Metodología 8.5.1. Controlador PID 8.5.1.1. Por medio de LabVIEW desarrolle un VI que desempeñe la función de un controlador controlador PID, que pueda ser utilizado en eell control de distintos  procesos. Utilice la ecuación en diferencias correspondiente correspondiente al algoritmo e(k)  es la entrada al  posicional por en donde la señal de controladordado y m(k)  es(8.6), la salida del controlador. Enerror el panel frontal coloque 4 controles numéricos con las etiquetas “e(k)”  “K P”, “K  I ” y “K  D”,  un indicador numérico con la etiqueta “m(k)”, también considere un selector deslizable con la etiqueta “ Acción D/I ””..  Utilice el nodo FORMULA para implementar el algoritmo de control, como en la figura 8.1.

Figura 8.1: Controlador PID discreto.

8.5.1.2. Una vez que verifique la correcta operación del controlador, elabore el ícono/conector del instrumento virtual y sálvelo como  Controlador PID.vi. 8.5.2. Sistema de control en lazo cerrado 8.5.2.1. Construya un VI para simular la respuesta en lazo cerrado de una  planta de primer orden con el SubVI Controlador PID.vi, como controlador. Utilice como planta el SubVI Primer Orden.vi, como se muestra en las figuras 8.2 y 8.3. 8.5.2.2. Ajuste la constante de tiempo  RC=1, el periodo de muestreo T=0.1  y la referencia a 50. Ejecute el programa con el controlador en modo  proporcional, esto es, con K P=1  y K  I =K  =K  D=0. ¿Que valor toma el error en estado estable? estable? Salve la imagen de la respuesta respuesta del proceso proceso y cierre el  programa. Abra de nuevo el programa y ajuste K P=10  ¿Cómo responde el K P? ¿Quédel  proceso con el Salve incremento enimagen el valordede valor toma el error de estado estable? la nueva la respuesta sistema.

46

 

Práctica 8_________________________________________________________________

Figura 8.2: Panel frontal del sistema en lazo cerrado con controlador PID.

8.5.2.3. Ejecute el programa con el controlador en modo ProporcionalIntegral, esto es, K P=1, K  I =0.1  y K  D=0. ¿En que se modificó la respuesta? ¿Que ocurre elcon en estado estable? el valor de K  I   y modificando valorel deerror la referencia observe comoAjuste se modifica la respuesta. Salve la imagen de la respuesta para tres valores distintos de K  I .

Figura 8.3: Diagrama de bloques del sistema de control en lazo cerrado.

8.5.2.4. Ejecute el programa en modo Proporcional-Integral-Derivativo y observe el comportamiento del proceso a medida que se modifican las constantes delControlador controlador y la referencia. .  Proceso con Contro lador PID.vi

Salve el programa con el nombre

47

 

Práctica 8_________________________________________________________________

8.6. Sugerencias didácticas  8.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que se presente a la práctica práctica una vez que haya repasado, en el LabVIEW, como crear SubVI’s, el uso de las estructuras FOR, WHILE, registros de corrimiento y el nodo FORMULA.   8.6.2. Conviene en presente una clase previa a la sobre práctica, el profesor aclare cualquier duda queque se les a los alumnos el guión de la práctica. 8.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 8.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados. 8.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

8.7. Reporte del alumno 8.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 8.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  8.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados.

48

 

Práctica 8_________________________________________________________________ Conclusiones.-

Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas.  Bibliografía .- Enlista siguiente formato:

las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

8.8. Bibliografía preliminar “Sistemas de Control en Tiempo Discreto” ,

Katsuhiko Ogata, Prentice Hall,

a

1996, 2  Edición. “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

Kindle Edition.

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

“LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Rick Bitter, Taqi

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005. “Getting Started with LabVIEW”, National Instruments, 2003.

49

 

 

Práctica 9 Arreglos y Clusters 9.1. Objetivo El alumno desarrollará desarrollará instrumentos instrumentos virtuales m mediante ediante Arreglos y Clusters. Clusters.

9.2. Introducción 9.2.1. Arrays Un  Array  (arreglo) es un conjunto de elementos de datos, todos del mismo tipo, de dimensión variable, tal como un grupo de números de punto flotante o un grupo de cadenas. En la figura 9.1 podemos observar un array numérico de 7 elementos y un array de cadenas de caracteres. El primer elemento de un array es el elemento número 0.

Figura 9.1: Arrays.

Un cluster es una colección de elementos de datos de distintos tipos, de dimensión fija, tal como un grupo de números de punto flotante y cadenas. Con los ciclos FOR y WHILE es posible crear arreglos de forma automática con un proceso denominado auto-indexado, auto-indexado, este proceso se ilustra en la figura 9.2.

50

 

Práctica 9_________________________________________________________________

Figura 9.2: Creación de arreglos: (a) indexado habilitado; (b) indexado deshabilitado.

LabVIEW cuenta con una gran cantidad de funciones para manipular arreglos, entre las que podemos mencionar  Array Size,  Initialize Array,  Build Array,  Index Array, etc., como se muestra en la figura 9.3.

Figura 9.3: Algunas funciones para manipular arreglos.

El polimorfismo  es la habilidad de ciertas funciones de LabVIEW (tales como Suma, Multiplicación y División) para aceptar entradas de diferentes dimensiones y representaciones. Las funciones aritméticas que poseen esta característica son denominadas funciones polimórficas. polimórficas. Por ejemplo, es posible sumar un escalar a un arreglo, o bien sumar dos arreglos de dimensiones diferentes. diferentes. 9.2.2. Clusters Un cluster  es  es una estructura de datos que al igual que el arreglo, agrupa datos. Sin embargo los clusters y los arreglos cuentan con importantes diferencias. Una diferencia fundamental es que los clusters pueden agrupar datos de distintos tipos, mientras que los arreglos pueden agrupar solamente datos del mismo tipo. Por ejemplo, un arreglo puede contener diez indicadores digitales, mientras que un cluster puede contener un control digital, un control de cadena, En la figura 9.4 se muestra un cluster en el panel frontal deununinterruptor. VI.

51

 

Práctica 9_________________________________________________________________

Figura 9.4: Cluster.

9.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 9 constituye un auxiliar que contribuye para que el estudiante del curso de  Instrumentaci  Instrumentación ón Virtual  adquiera las competencias correspondientes al manejo de Arreglos y Clusters en Lenguaje G, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 2, “Programación en Lenguaje G (LabVIEW)” en el subtema 2.6 “Arreglos y clusters ”.  Con el desarrollo de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: crear arreglos de una y dos dimensiones, manejar arreglos, extraer datos de arreglos, graficar arreglos, crear clusters y extraer datos de clusters.

9.4. Material y equipo necesario 9.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior 

9.4.2.   Equipo Computadora personal 

52

 

Práctica 9_________________________________________________________________

9.5. Metodología 9.5.1. Creación de arrays 9.5.1.1. Desarrolle Desarrolle un VI que genere un array de diez números aleatorios aleatorios con valor entre cero y uno (1D), mediante un ciclo FOR, como en la figura 9.2. Con la finalidad de observar detenidamente el funcionamiento del programa, Execution). En el menú pop-up de la ejecútelo forma animada ( Highlight salida del en ciclo FOR, deshabilite el indexado y corra nuevamente el programa en forma animada. ¿Qué sucede cuando se deshabilita d eshabilita el indexado? 9.5.1.2. Haciendo uso de la subpaleta de funciones  Array, determine la dimensión del array ( Array  Array Size), y reemplace el cuarto elemento del array por el dato 1.50 ( Replace Array Subset ) y obtenga el valor máximo y mínimo del array ( Array  Array Max & Min). 9.5.1.3. En el diagrama de bloques de este mismo VI, añada un ciclo FOR anidado para generar un array de números aleatorios entre cero y uno, de dos dimensiones (2D), de tamaño 5x6. Observe la generación de este array en forma animada.

9.5.1.4. Haciendo uso de la subpaleta de funciones  Array, determine la dimensión de este nuevo array ( Array  Array Size), determine los valores máximo y mínimo del array ( Array Max & Min) y obtenga la transpuesta transpuesta del array array (Transpose 2D Array). Salve este VI como Creación de Arrays.vi. 9.5.2. Creación de clusters 9.5.2.1. Construya un nuevo VI en cuyo panel frontal se encuentre un cluster. En dicho cluster coloque ocho objetos distintos, entre los cuales podrán estar indicadores numéricos, controles numéricos, LED´s, interruptores, arreglos, controles de cadena, indicadores de cadena, etc. En el diagrama de bloques conecte un indicador (cluster2) y un bloque Unbundle en la terminal de salida del cluster. Coloque indicadores numéricos solamente en las terminales numéricas de la salida del bloque Unbundle, para monitorear solamente este tipo de datos. 9.5.2.2. Ejecute el programa de forma continua y mientras modifica los controles en el cluster, observe como se actualizan los datos en el cluster2  y en los indicadores numéricos. Salve este programa como Creación de un Cluster.vi. 9.5.3. Registro de temperatura 9.5.3.1. Haciendo uso del  Digital Thermometer.vi  del directorio  Activity, genere un VI que tome 100 mediciones de temperatura. La medición de temperatura deberá hacerse cada segundo. Con cada medición de temperatura agrupe (bundle) la hora y la fecha de la medición. 9.5.3.2. Ejecute el programa, y una vez que funcione correctamente, sálvelo como Registro de Temperatura.vi Temperatura.vi. 

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Práctica 9_________________________________________________________________

9.6. Sugerencias didácticas 9.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que se presente a la práctica práctica una vez que haya repasado, en el LabVIEW, como crear Arrays, el uso de las principales funciones de Arrays, la creación de Clusters y el manejo de Clusters.  9.6.2. Conviene en presente una clase previa a la sobre práctica, el profesor aclare cualquier duda queque se les a los alumnos el guión de la práctica. 9.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 9.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados. 9.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

9.7. Reporte del alumno 9.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 9.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  9.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados.

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Práctica 9_________________________________________________________________ Conclusiones.-

Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas.  Bibliografía .- Enlista siguiente formato:

las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

9.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Rick Bitter, Taqi

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005. “Getting Started with LabVIEW”, National Instruments, 2003.

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Práctica 10  Cartas y Gráficos 10.1. Objetivo El alumno desarrollará instrumentos virtuales para el registro de datos, mediante el uso de cartas y gráficos de forma de onda.

10.2. Introducción Las cartas (waveform  charts) y los gráficos (waveform graphs) son utilizados  para mostrar datos en forma gráfica. Los gráficos y las cartas cuentan con notables diferencias. Existen tres formas de producir las cartas: scope, strip  y sweep, mientras que solo existen dos formas de generar los gráficos: waveform  y  XY . En una carta los datos se van representando a medida que estos se van generando, de manera similar a como sucede en un registrador de rollo de  papel de un laboratorio, mientras que en un gráfico se despliegan arreglos de datos generados previamente de una forma más tradicional, tal como una gráfica x-y. 10.2.1. Waveform Charts Solamente existe un tipo de carta, pero se cuenta con tres modos distintos de actualizar la información que se despliega: strip chart, scope chart y sweep chart . Es posible elegir el modo de actualización, abriendo el menú pop-up de la carta y eligiendo  Properties>>Appeareance  Properties>>Appeareance>>Update >>Update mode. Cuando se selecciona scroll, los datos se van representando como en un registrador de  papel que se va enrollando, de tal forma que los datos más antiguos van saliendo de la carta y los más recientes se muestran a la derecha.

Figura 10.1: Modos de actualización de gráficos de carta (waveform charts): (a) scroll; (b) scope; (c) sweep.

56

 

Práctica 10________________________________________________________________

Los modos scope y sweep se asemejan a un osciloscopio. Cuando se tiene una cantidad de puntos tal que se alcanza el borde derecho de la carta en modo scope, entonces la carta entera es borrada para iniciar con un nuevo trazo por la izquierda. La carta sweep tiene gran parecido con la carta scope, excepto en que al alcanzar el borde derecho no se borran todos los datos, sino que una línea vertical marcaseelvan inicio de los nuevos datos, se mueve través delos la  pantalla conforme añadiendo más datos, a lay vez que vaa borrando datos anteriores. Las cartas scope  y sweep  corren más rápido que la carta scroll. 10.2.2 Waveform Graphs Un gráfico (waveform graph) es un indicador que despliega uno o más arreglos de datos. Es equivalente a la representación en dos dimensiones, con ejes horizontal y vertical. Se cuenta con dos tipos de gráficos: waveform graphs y XY graphs. Estos dos tipos de gráficos son funcionalmente distintos, sin embargo en el  panel frontal no se observan diferencias significativas. significativas. En ambos tipos de gráficos searreglos utilizan arreglos datos. El gráfico de formaestán de onda es ideal para graficar de datosde en donde los puntos uniformemente espaciados. Los gráficos  XY  son  son representaciones representaciones cartesianas disponibles para representar datos disponibles a intervalos irregulares, o bien para representar dos variables, en donde una depende de la otra.

Figura 10.2: Gráfico de forma de onda ( waveform graph).

10.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 10 constituye un medio que contribuye para que el estudiante del curso de  Instrumentaci  Instrumentación ón Virtual  adquiera las competencias correspondientes al manejo de Cartas y Gráficos, conceptos que se

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Práctica 10________________________________________________________________

contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 2, “Programación en Lenguaje G (LabVIEW)” en el subtema 2.7 “Cartas y Gráficos”.  Con el desarrollo de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social,decooperación, habilidades interpersonales, del tiempo, capacidad aprender, capacidad de adaptarse a nuevas gestión situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: representar datos y arreglos mediante los gráficos de carta (Waveform Charts), utilizando los tres modos de actualización (strip, scope y sweep), gráficos de forma de onda (Waveform Graphs) y gráficos XY ( XY  XY Graphs).

10.4. Material y equipo necesario 10.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior 10.4.2. Equipo   Computadora personal 



10.5. Metodología 10.5.1. Uso de cartas (waveform charts) 10.5.1.1. Diseñe un VI para determinar la media aritmética de una serie de números aleatorios, entre 0  y 1, a medida que estos se van generando. Utilice el algoritmo descrito por la ecuación en diferencias (10.1). mk   kmk   1    xk    / k   1   (10.1) en donde  es el de número eniosla iteración actual y m(k)  esvisualizar la media actual del  x(k) del conjunto números númeraleatorio os aleatorios aleator y k = 0,1,2,3,4,... . Para los datos, en el panel frontal utilice un waveform chart  con  con la etiqueta “ Media  Aritmética”, con un rango de 1000 datos y con un historial de tamaño 10,000. En el diagrama de bloques introduzca un retardo de 10 ms. 10.5.1.2. Seleccione el modo de actualización strip  o scroll  y ejecute el  programa, observe como se van desplegando los datos en la pantalla. ¿Qué sucede cuando se han generado más de mil datos? 10.5.1.3. Seleccione el modo de actualización scope  y ejecute el programa, observe como se van desplegando los datos en la pantalla. ¿Qué sucede cuando se han generado más de mil datos?

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Práctica 10________________________________________________________________

10.5.1.4. Seleccione el modo de actualización sweep  y ejecute el programa, observe como se van desplegando los datos en la pantalla. ¿Qué sucede cuando se han generado más de mil datos? 10.5.1.5. Utilizando la paleta de herramientas cambie a color blanco el fondo de la pantalla del chart. Del menú pop-up en  properties>>scales  elija la  X  como cuadrícula mayor en del color grisdeclaro, tanto ypara ejecolor para eje Y . Incremente el grosor trazo la gráfica, elijaelun que no seaelblanco. Ejecute nuevamente el programa y note las diferencias en la pantalla del chart. Mientra corre el programa, mueva hacia la izquierda el cursor del control  Xscrollbar . Salve este VI como Uso de charts.vi. 10.5.2. Aclarado de charts 10.5.2.1. Construya Construya un VI en donde los datos datos de temperatura, temperatura, generados con con  Digital Thermomete Thermometer.vi r.vi  ( del directorio  Activity), sean desplegados en una carta. Al inicio de cada ejecución del VI, aclarar la carta. Sugerencia: se deberán utilizar los atributos de nodos para aclarar la carta. Consulte la ayuda para mayor información de los atributos de nodos.

10.5.2.2. Ejecute el programa variaslaveces y verifique al iniciar cada ejecución del programa pantalla del chartque estáefectivamente, limpia. Salve el VI como Aclarado de charts.vi. 10.5.3. Uso de gráficos (waveform graphs) 10.5.3.1. Abra un VI nuevo y construya el panel frontal con tres objetos: un control numérico con la etiqueta “ No. de puntos ”, un control numérico con la etiqueta “Factor de crecimiento, r ”  y un waveform graph  con la etiqueta “Población”. En el diagrama a bloques incluya un ciclo FOR conectado al control numérico “ No. de puntos”, un registro de corrimiento y un nodo FORMULA  con la ecuación en diferencias logística , la cual está dada por la ecuación (10.2).  xk   1   rx   k 1   xk   

(10.2) en donde k = 0,1,2,… y  x(0)  es la condición inicial. Esta ecuación ha sido utilizada como modelo para estudiar lo patrones de crecimiento de la  población. El modelo ha sido escalado, de tal forma que la población varía entre 0  y 1, en donde 0  representa la extinción y 1  representa la máxima  población concebible. Introduzca una condición para que  x(k+1)  tome como valor mínimo el de cero, nunca valores negativos. 10.5.3.2. Ajuste el  No. de puntos  a 30 y el Factor de crecimiento r  a  a 2.7 , y en el diagrama de bloques  x(0)=0.02. Al ejecutar el programa deberá notarse que la Población alcanza un valor de 0.63. 10.5.3.3. Experimente ajustando distintos valores del Factor de crecimiento, r , 1> My system>>Devices and Interfaces>>NI-DAQmx devices, como se ilustra en la figura 11.6. Seleccione el dispositivo para activarlo.

Figura 11.6: Measurement & Automation Explorer (MAX).

11.5.1.3. Presione el botón de auto-prueba ( Self-Test ) para verificar que el dispositivo funcionará correctamente. Una vez que el dispositivo DAQ ha  pasado esta prueba satisfactoriamente, satisfactoriamente, entonces abra los paneles de prueba (Test Panels).

Figura 11.7: Paneles de prueba: (a)entradas analógicas; (b) salidas analógicas.

67

 

Práctica 11________________________________________________________________

11.5.1.4. En el panel correspondiente a la entrada analógica ( Analog Input )),, elija como canal (Chanel Name) la entrada ai0, el modo de actualización ( Mode  Mode) Continuous, la configuración de entrada ( Input Configuration)  RSE , ajuste el límite mínimo de entrada ( Min Input Limit ) en 10, el límite máximo de entrada ( Max  Max Input Limit ) en -10, la frecuencia de muestreo ( Rate  Rate) a 1000 To Read ) en 1000, tal como se Hz y el en número de 11.7(a). muestrasConecte a leer (Samples observa la figura un generador de funciones, como entrada referenciada (RSE), a través del canal cero ( aio) de la tarjeta DAQ. Ajuste la amplitud del generador a un valor por debajo de 10V   y la frecuencia a un valor inferior a los 100Hz. Presione el botón Start , del panel de prueba, y observe como se despliega la señal del generador. En el generador de funciones modifique la forma de onda, la amplitud y la frecuencia de la señal analógica y observe los resultados en el panel de prueba. 11.5.1.5. Abra el panel de prueba de salida de voltaje ( Voltage Output ) y en el canal de salida (Chanel Name) elija la salida analógica cero, ao0, ajuste el límite máximo de salida ( Max Output Limit ) a 5 y el límite mínimo de salida  Min Output Limit ) a 0. Conecte un voltímetro digital a las terminales ( Min correspondientes a la salida ai0 y ajuste el voltaje de salida a un valor entre 0  y 5V , como en la figura 11.7(b). Presione el botón de actualizar ( Update) y observe como como el voltímetro voltímetro registra la tensión correspondiente correspondiente al voltaje de salida elegido. Ejecute este paso para un total de cinco valores distintos. 11.5.2. Adquisición de datos 11.5.2.1. Mediante LabVIEW elabore un instrumento virtual para leer un voltaje analógico entre -10V  y  y 10V , como se muestra en la figura 11.8. Utilice el asistente (DAQ Assistant) para configurar la tarjeta de adquisición de datos  para un rango de la señal de entrada de -10V   a 10V , una configuración de terminales en modo RSE y un modo de adquisición de una muestra.

Figura 11.9: Adquisición de una señal analógica mediante el DAQ Assistant.

11.5.2.2. Conecte la fuente de tensión variable como entrada analógica (en su lugar puede conectar un generador de funciones), ajuste el periodo de

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Práctica 11________________________________________________________________

muestreo T  a   a un valor como 0.1 segundos y ejecute el programa. Salve este instrumento virtual como Adquisición Básica.vi Básica.vi. 11.5.3. Generación de una señal analógica 11.5.3.1. Usando LabVIEW LabVIEW desarrolle desarrolle un instrumento instrumento virtual virtual para extraer, extraer, mediante una tarjeta DAQ, una tensión entre 0  y 5V . En el panel frontal un control numérico tipo perilla con la etiqueta “ Salida (V)”, un coloquenumérico control con la etiqueta “T (s)”, un gráfico de carta con la etiqueta “Señal generada” y un botón de paro, como se ilustra en la figura 11.10. En el

diagrama de bloques, configure la tarjeta mediante el asistente (DAQ Assistant) para que proporcione un rango de salida de 0 a 5V  y  y que opere con un modo de generación de una muestra.

Figura 11.10: Generación de una tensión analógica mediante una tarjeta DAQ.

11.5.3.2. Conecte un voltímetro digital en el canal de salida elegido y ejecute el programa. En la perilla “Salida (V)” modifique repetidamente la tensión y

observe la lectura del voltímetro, la cual deberá coincidir con la del instrumento . virtual. Salve el instrumento virtual con el nombre de  Básica.vi

Generación

11.6. Sugerencias didácticas 11.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad de que investigue las característica característicass de la tarjeta de adquisición de datos que utilizará para la práctica. Deberá de consultar el manual de usuario de la tarjeta DAQ, para tener presente el número de entradas analógicas, el número de salidas analógicas, las entradas y salidas digitales, el temporizador/contador, así como las características eléctricas de las entradas entradas y salidas salidas analógicas analógicas y digitales. Es Es conveniente conveniente investigar investigar y  DAQ Assistant ).   practicar el manejo manejo del software MAX y el us usoo del asistente ( DAQ

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Práctica 11________________________________________________________________

11.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 11.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo cada uno, alguno de positiva: los siguientes roles o, funciones4), en desempeñando orden a favorecer la interdependencia “Calculador” “Operador” y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 11.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones. 11.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación discusión dede experiencias clase posterior ya la ejecución la práctica. entre los distintos equipos, en una

11.7. Reporte del alumno 11.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 11.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archi vo “Portada”  11.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como

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Práctica 11________________________________________________________________

sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas.  Bibliografía.- Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. del artículo, autor,incluir publicación, Artículo  Anexos .- ;Sinombre se considera relevante, anexos año. de tablas,

formatos, dibujos dibujos,,

 planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

11.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Rick Bitter, Taqi

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

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Práctica 12 Registrador Multivariable 12.1. Objetivo El alumno construirá un instrumento virtual para el registro de al menos dos variables, haciendo uso de una tarjeta DAQ.

12.2. Introducción Un registrador es un instrumento cuya función es la de representar de manera gráfica, el valor de una señal o variable al medirla. Tenemos los registradores gráficos, las impresoras, las grabadoras de cinta, los discos de computadora, entre otros. Estos dispositivos tienen circuitos de acondicionamiento de señal para que las señales de entrada se puedan escalar de algún modo antes de registrarse. Por ejemplo la señal de un Termopar se puede amplificar y linealizar. 12.2.1. Tipos Tipos principales principales de registradores Los registradores pueden ser clasificados en los siguientes tipos principales:   Registradores gráficos   Registradores ultravioleta   Registradores de fibra óptica   Registradores de cinta magnética Los registradores gráficos son los más utilizados por su economía, 







confiabilidad y por señales su uso simple. Tienen una superior respuesta adinámica no  pueden registrar con frecuencia los 30pobre, Hz. yLos Registradores Ultravioleta aceptan frecuencias hasta 13 KHz. Son instrumentos delicados delicados y de un alto costo. 12.2.2. Registradores gráficos Estos ofrecen una forma relativamente simple y económica de realizar registros permanentes de señales eléctricas. La figura 12.1 muestra un registrador gráfico. Se dividen en dos tipos: registrador galvanométrico y registrador potenciométrico. potenciométrico.  Registradores galvanométricos galvanométricos. Se basan en el principio de la deflexión de una  bobi  bo bina na móv móvil il,, exc excep epto to que que la aguj agujaa dib dibuj ujaa una una tr traz azaa de de tin tinta ta sob sobre re el pape papel,l, en lugar de moverse con relación a una escala. La señal que se mide se aplica a la bobina,

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Práctica 12________________________________________________________________

 por lo  por lo que que la defl deflex exió iónn ang angul ular ar de la bobi bobina na y su su aagu guja ja indi indica cado dora ra es proporcional a la magnitud de la señal aplicada. Escala

Plumilla Encendido

Velocidad de carta

Movimiento del papel

 Apagado

Cero

Sensibilidad

Vernier

Máx.

Entrada

 

Figura 12.1: Registrador gráfico.

Conectando directamente la plumilla de escritura a la bobina, se obtiene un registro curvilíneo. La aguja indicadora está conectada a una plumilla, y, con la ayuda de un motor que funciona a velocidad constante para impulsar el  papel gráfico, con el que la aguja se encuentra en contacto, se obtiene una representación de la señal medida con respecto al tiempo. La frecuencia máxima de estos registradores es aproximadamente de 100 Hz, mientras que su sensibilidad máxima es del orden de 25 mV/pulgada. Las impedancias de entrada son típicamente de 100 K Ω  o más. La figura 12.2 muestra un registrador galvanométrico. Movimiento del papel

Plumilla

Papel para gráficas con retícula curvilínea

Rollo de suministro del papel

Figura 12.2: Registrador galvanométrico.  Registradores potenciométricos. Con esta clase de obtener una exactitud de ±0.1% o menos de la escala

 

registradores se puede máxima, y resoluciones

73

 

Práctica 12________________________________________________________________

de medición de 0.2% e.m. Ambos valores superan en gran medida a las cifras  para los registradores registradores galvanométicos. galvanométicos.  Estos instrumentos utilizan un servosistema, en el que el servomotor impulsa la plumilla, y un potenciómetro que está acoplado a la plumilla realimenta una señal que es proporcional a la posición de la plumilla. Esta señal se compara con la señal medida, y la se diferencia selaaplica deenci error acciona al motor, tal como c omo aprecia en figuracomo 12.3. una Un Unaa señal ccon onse secu cuen ciaa de de que este este mecanismo es que el tiempo de respuesta del instrumento es muy lento, se trata de un intervalo de 0.2 0.2 a 2 segundos. Señal Medida

Señal de Error 



Servomotor y tren de engranes

Posición de la plumilla



Señal de posición de la plumilla Potenciómetro

  Figura 12.3: Diagrama de bloques de un registrador potenciométrico.

12.2.3. Registradores ultravioleta Los registradores ultravioleta trabajan de acuerdo con principios muy similares que rigen la operación de los registradore registradoress gráficos galvanométricos. Reducen la inercia del sistema y las constantes de resorte al montar un espejo estrecho en lugar de un sistema de pluma. El espejo refleja un haz de luz ultravioleta sobre papel sensible a este tipo de luz. Permite registrar señales que tienen frecuencias hasta de 13 KHz con una 2% exactitud representativa . En este tipo de registrador se deben tomar  precauciones con el papeldeal ±m con momento omento de instalarlo. ins talarlo. 12.2.4. Registradores de fibra óptica ó ptica Este tipo de registrador utiliza un sistema de fibra óptica para dirigir la luz sobre el papel sensible. Su construcción es similar a los osciloscopios, ya que tiene un cañón de electrones y un sistema de enfoque que dirige un haz de electrones hacia un punto sobre una pantalla fluorescente. La señal que se va a registrar se aplica en las placas deflectoras y el movimiento del punto de electrones que se enfoca en la pantalla es proporcional a la amplitud de la señal. Una tira estrecha que alberga un conjunto de fibras ópticas, que a su vez están en contacto con la pantalla fluorescente, transmite el movimiento del punto al

 pa  pape pell foto foAl tose sens nsib ible lecon que quevelocidad se se mantiene cerca eldelpapel otrofotosensible extremo deque la está tira en de contacto la fibra óptica. mover constante

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Práctica 12________________________________________________________________

con la tira de fibra óptica, se obtiene una representación gráfica en el tiempo de la señal medida. Son mucho más costosos que los registradores ultravioleta, pero cuentan con un ancho de banda mucho mayor. 12.2.5. Registradores de cinta magnética Los registradores de cinta magnética pueden grabar señales analógicas que tienen una 80 KHz frecuencia hasta instrumento seleccionar diferentes velocidades de de transporte. Como de la el cinta, se puedepermite registrar una señal a alta velocidad para reproducirla posteriormente a una velocidad inferior. Este escalamiento en el tiempo de la información registrada permite obtener un documento impreso que representa el comportamiento de la señal, similar al que se obtendría con los registradores ultravioleta y galvanométricos. No se puede registrar directamente una señal de 200 Hz en un registrador gráfico, pero sí se graba en un registrador de cinta magnética que opera a una velocidad superior y después se reproduce a una velocidad diez veces inferior, su frecuencia se escalará en el tiempo hasta 20 Hz, valor que puede registrarse en un registrador gráfico. 

Existen técnicas de registro analógico directo registro dos modulado enbásicas frecuencia. El primero ofreceenelcinta: mejorregistro ancho de banday de datos, pero la exactitud en la amplitud de la señal es bastante pobre, lo que limita seriamente la utilidad de esta técnica en la mayoría de las aplicaciones. La técnica de modulación en frecuencia ofrece una exactitud superior en el registro de la amplitud, con una exactitud de sólo ±5% a frecuencias de señal de 80 KHz. Por esta razón, el uso de esta técnica es más común que el registro directo.

12.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas La No. 12 de constituye un vigente importante auxiliar, para que el alumno del delpráctica programa estudio curso de  Instrumentación Virtual adquiera las competencias correspondientes al registro de variables de procesos físicos, tales como temperatura, presión, nivel, flujo,etc., conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 3, “Instrumentos Virtuales de Registro y Análisis” en el subtema 3.1 “Registrad “Registrador or Multivaria Multivariable”. ble”.  Con el desarrollo de esta práctica se pretende que el alumno adquiera una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral ydeescrita y creatividad.

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Práctica 12________________________________________________________________

La competencia específica del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica es: habilidad para crear instrumentos virtuales para el registro de señales y variables de procesos industriales.

12.4. Material y equipo necesario 12.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI-DAQmx 12.4.2. Equipo   Computadora personal   Fuente de voltaje dual ±12V     Multímetro digital   Tablilla de prueba   Circuito integrado LM35    Resistores a ½W   ((910Ω, 1K Ω y 8.2K Ω) 















 

  

10K Ω) Trimpots LM741 (1.5K Ω o yTL081 Amp-Op  

12.5. Metodología 12.5.1. Registro de una variable 12.5.1.1. Sobre una tablilla de prueba, y haciendo uso del sensor de temperatura  LM35, arme el circuito medidor de temperatura mostrado en la figura 12.4. Una vez que haga el ajuste de Offset en el Amp-Op, mediante el trimpot de 10K Ω, proceda a calibrar el medidor de temperatura con el ajuste de ganancia de 1.5KΩ. En la salida del amplificador operacional deberá reflejarse la entrada multiplicada por 10.  12V 

 R1 1K 

LM35 GND

8.2  K  1.5 K  2

+Vs

0C    100   C 

 R2

 

10mV   / C  Vout

 RP 910

6

LM741 8

3 1

vo  0. 1   V  / C 

0  10V 

10K Ω

 12V 

Figura 12.4: Medidor de temperatura de 0 °C   aa 100 °C .

 

12.5.1.2. Mediante LabVIEW desarrolle un registrador de temperatura con una escala de 0 °C   aa 100 °C , para hacer el registro de la señal de 0V   aa 10V , del medidor de temperatura. En el panel frontal coloque un botón de paro, un

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Práctica 12________________________________________________________________

control numérico par a ajustar el periodo de muestreo con la etiqueta “ T (s)” y un chart con la etiqueta “ Registrador de temperatura temperatura”, como en la figura 12.5. 

Figura 12.5: Registrador de temperatura, panel frontal.

12.5.1.3. Construya código delCon VI la haciendo la librería como se ilustra en laelfigura 12.6. finalidaduso de de trabajar de unaDAQmx, manera más precisa en tiempo real, es conveniente utilizar un lazo temporizado (Timed Loop). Ejecute el programa para distintos periodos de muestreo, tales como 1, 0.1  y 0.01  segundos, y una vez que el programa funcione correctamente sálvelo como Registrador de Temperatura.vi Temperatura.vi.

Figura 12.6: Código del registrador de temperatura.

12.5.2. Registrador multivariable 12.5.2.1. Modifique el VI Registrador de Temperatura.vi desarrolle Temperatura.vi, para que desarrolle la función de un registrador de dos o más variables, tal como se ilustra en la figura 12.7. Considere como entradas señales de instrumentación estandarizadas, de 1  a 5V   (0  a 100%). Para graficar las señales adquiridas se

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Práctica 12________________________________________________________________

hará necesario usar un convertidor de array a cluster ( Array  Array to Cluster ), ), dentro del lazo temporizado. 12.5.2.2. Ejecute el programa con distintos periodos de muestreo y una vez que funcione adecuadamente sálvelo como Registrador Multivariable.vi Multivariable.vi.

Figura 12.7: Registrador multivariable.

12.6. Sugerencias didácticas 12.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad de que investigue y practique el manejo de los VI´s correspondientes la librería DAQmx para la adquisición de señales, así como con el lazo temporizado ( Timed Loop), con la finalidad de trabajar en tiempo real con mayor precisión.  12.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 12.6.3. Paracomo el desarrollo de laslaprácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo lo permita disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 12.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por loconexiones que se hace necesario deusar una pulsera antiestática al momento de hacer y al momento desconectar.

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Práctica 12________________________________________________________________

12.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

12.7. Reporte del alumno 12.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 12.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  12.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas.  Bibliografía.- Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

12.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” , Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001.

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Práctica 12________________________________________________________________ “LabVIEW Signal Processing”,

Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

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Práctica 13 Analizador de Espectros 13.1. Objetivo El alumno implementará un instrumento virtual para estimar el espectro de una señal en tiempo real, haciendo uso de un dispositivo DAQ.

13.2. Introducción Uno de los instrumentos más utilizados en el análisis de señales, en el campo de las telecomunicaciones, es el analizador de espectros. El analizador de espectros permite visualizar el módulo del contenido espectral de frecuencias de una señal. Esto se logra presentando en una pantalla el módulo de la transformada transform ada de Fourier de la señal que se desea analizar. 13.2.1. Construcción del analizador de espectros Existen instrumentos digitales que realizan esta función (analizadores que operan en base a la transformada de Fourier discreta) capaces en algunos casos no sólo de procesar y mostrar señales periódicas y aleatorias sino también transientes, es decir, conservan la dependencia temporal entre las señales, lo cual permite conocer información de fase. Debido a la alta rapidez de  procesamiento que requieren estos instrumentos para su operación, conocidos como analizadores de espectros de tiempo real, su aplicación está limitada a frecuencias relativamente bajas. Se encuentran también los analizadores de espectro analógicos, que permiten medir frecuencias hasta el orden de los 300 GHz. Los analizadores de espectro analógicos modernos incluyen procesamiento digital de la señal a ser desplegada, sin embargo son analógicos en lo que respecta al procesamiento de  RF . Estos últimos son adecuados sólo para algunas aplicaciones de análisis espectral y según se podrá apreciar no  proveen el grado grado de exactitud de los analizadores analógic analógicos. os. Su mucho menor menor costo los hace, sin embargo, muy atractivos para trabajo menos riguroso. Para presentar el contenido de frecuencias de una señal podría recurrirse al sistema de la figura 13.1. Los filtros pasabanda permiten el paso de la frecuencia seleccionada solamente. El detector de envolvente extrae la envolvente (el módulo de la señal) en cada banda de filtraje y las presenta en  pantalla.

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Práctica 13________________________________________________________________

Para lograr una buena resolución sobre un amplio espectro de frecuencias se necesitaría una enorme cantidad de filtros. Otro problema es el de obtener una selectividad apropiada en los filtros. Estas desventajas son suficientes para hacer que la solución presentada no sea atractiva para ser implementada. Ba Banc nco od de e fi filt ltro ros s

De Dete tect ctor ores es de envo envolv lven ente te f1

Señal

f2

f0

  Figura 13.1: Analizador de Espectros en base a filtros en paralelo. 

En cambio podría recurrirse a las siguientes alternativas: 1. Diseñar un sistema consistente en un filtro pasabanda cuya frecuencia central se desplaza a través del espectro, como el de la figura 13.2,  permitiendo de esta forma una visualización secuencial del contenido de frecuencias de la señal de entrada (en lugar de simultánea como en el caso de filtros múltiples). En la práctica esto no es realizable debido a la dificultad de lograr un filtro, que sin cambiar sus características de ancho de banda, pueda ser desplazado en su frecuencia central. Filtro controlado por voltaje

Pantalla CRT Detector de envolvente

Señal

Generador de diente de sierra

 

Figura 13.2: Diagrama de bloques de un analizador de espectros en base a un filtro  pasabanda sintonizable.

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Práctica 13________________________________________________________________

2. Diseñar un sistema en base a un receptor superheterodino, superheterodino, consistente en un filtro pasabanda a frecuencia fija en la etapa de frecuencia intermedia, un mezclador y un oscilador local cuya frecuencia se desplaza, como se ilustra en la figura 13.3. Se logra de este modo una respuesta a la salida del filtro de FI   cuando la diferencia entre la frecuencia de la señal y la del oscilador local corresponde la frecuencia intermedia. Conceptualmente, la diferencia respecto de la asolución anterior consiste en desplazar    en frecuencia la señal de entrada con respecto del filtro (fijo) en lugar de desplazar el filtro respecto de la señal.  Señal

Filtro de frecuencia intermedia

Mezclador 

Pantalla CRT Detector de envolvente

VCO Oscilador controlado por voltaje

Generador de diente de sierra

  Figura 13.3: Diagrama de bloques de un analizador de espectros del tipo superheterodino.

Se describe a continuación la operación de un analizador comercial, el HP 141T. El generador diente de sierra produce un desplazamiento horizontal de izquierda a derecha derecha del haz luminoso, luminoso, como se muestra muestra en la figura 13.4. Si esta misma señal se aplica al oscilador controlado por tensión, entonces se tendrá que la frecuencia de este último tiene una relación unívoca con el desplazamiento horizontal delelpunto en lamezclador pantalla. La multiplicación de las señales que tiene lugar en primer produce una salida en frecuencia intermedia sólo si la diferencia de frecuencias entre oscilador local y las señales presentes en la entrada presenta componentes dentro de la banda de FI   (primera (primera FI). El analizador es un receptor de tipo doble conversión, con una segunda frecuencia intermedia baja para poder lograr adecuada selectividad en el segundo filtro de FI , y una primera frecuencia intermedia elevada para facilitar la supresión de la frecuencia imagen en el preselector. Lo anterior puede ser descrito del siguiente modo: Sea  B el ancho de banda del filtro selectivo (2o. filtro FI )  f o  la frecuencia del oscilador controlado por voltaje,  f FFI I 1  la frecuencia intermedia (1a. FI   ) entonces las componentes espectrales de frecuencia de la señal -deB/2 entrada que pasan ambos filtros son las comprendidas en el rango  f o - f FI1 < f < f o - f FFI1 FI1 I1 + B/2. Nótese que si

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Práctica 13________________________________________________________________

 bien el rango de frecuencias que pasa por el primer primer filtro de FI será mayor que  B, la segunda conversión y filtraje permiten seleccionar el rango B. Las frecuencias  f o  + f FI1 FI1  - B/2 < f < f o  + f F FI1 I1  + B/2  son bloqueadas por el  preselector. El detector de envolvente extrae la envolvente de la respuesta,  produciendo un voltaje que, al actuar sobre la deflexión vertical del haz, genera respuesta proporcional a la amplitud de la componente espectral en el rangolacorrespondiente. correspondie nte. Scan ancho por división

Scan tiempo por división

VCO

Oscilador controlado por voltaje

 Atenuación de RF

Generador de diente de sierra

Señal

Buffer preselector y atenuador de RF Mezclador 2

Mezclador 1

Filtro de frecuencia intermedia FI 2

FI BW

Filtro de frecuencia intermedia FI 1

Detector de envolvente

Filtro de video

Pantalla CRT

OL 2 Oscilador local 2

 

Figura 13.4: Diagrama de bloques típico de un analizador de espectros.

La escala vertical puede ser lineal o logarítmica (calibrada en dBm), siendo esta última la más utilizada. El rango de frecuencias en que se desea operar se  puede programar según según se elija f o, eso es, el diente de sierra. Para lograr buena resolución e inmunidad al ruido es conveniente que  B  sea lo más pequeño  posible. No se puede elegir B en forma arbitraria puesto que tiene relación con la velocidad de barrido. En efecto, un filtro pasabanda de ancho de banda  B  1/B  (s) en alcanzar un valor cercano a su salida tarda aproximadamente estacionaria cuando se aplica una señal. Si el filtro debe recorrer un espectro

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Práctica 13________________________________________________________________

comprendido en un rango de frecuencia df   ( Hz  Hz) en T   (s), entonces se puede considerar que el filtro debe analizar df/B posiciones en un tiempo T . Como a cada posición debe dedicarle al menos 1/B  (s), se concluye que debe cumplirse: T > df/B²   (13.1)  Hz/horiz div), y un ancho de En consecuencia, una escala de df  de ( Hz/horiz  banda de FI   (FI2)sidese Belige , entonces el tiempo barrido horizontal debe ser mayor que df/B²  . . En los analizadores modernos como el R&S, cuentan con la opción de que el ancho de banda de resolución se ajuste automáticamente.

Los analizadores de espectros tienen también un “filtro de video” que es el

que filtra la señal ya trasladada a la banda base, es decir la señal que se despliega en la pantalla de video. Si se desea suavizar esta señal entonces se debe ajustar el ancho del filtro de video a un valor mucho más bajo que el de FI  (típicamente  (típicamente 1/10 o menor) 13.2.2. Análisis en plano de frecuencias de señales periódicas y no

periódicas Las señales que se observan con el analizador son básicamente de dos tipos: señales periódicas, cuyo espectro es un “espectro de líneas” y señales no

 periódicas cuyo espectro es continuo. Las señales periódicas están presentes en prácticamente cualquier sistema de telecomunicaciones y además frecuentemente se evalúa un sistema, considerando una excitación periódica (senoidal por lo general). Dentro de las señales no periódicas, el “ruido aleatorio” es un elemento que aparece en cualquier sistema real. Las señales

transmitidas en un sistema de telecomunicaciones, al propagarse desde un transmisor a un receptor se atenúan con la distancia. Esto se puede corregir amplificando la señal recibida. Sin embargo una vez que la señal recibida es tan débil que su potencia se hace comparable al ruido, ninguna amplificación  podrá restituir restituir la señal a su forma original. original. Todo amplificador tiene un ruido propio (generalmente de niveles del orden de ( µV   µ V ) que determina el umbral mínimo para la señal recibida. Este ruido se conoce generalmente como “ruido  térmico” pues su potencia depende de la temperatura absoluta (ºK ). ). Matemáticamente el ruido se modela como un “proceso aleatorio”. Su potencia se caracteriza por su “d ensidad espectral de  potencia” (Watts/Hz ) o (Watts  en ancho de banda de 1Hz). Para señales sinusoidales, la potencia que mide el analizador no depende del ancho de  banda de FI   (siempre (siempre que el ancho de banda sea mayor al mínimo que implica que se cumple (13.1). En cambio para señales de espectro continuo, la potencia que mide el analizador es proporcional al ancho de banda (asumiendo que en cada rango

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Práctica 13________________________________________________________________

de 1Hz  se tiene la misma potencia, lo que se conoce como “ruido blanco” o “ruido de espectro plano”). Los amplificadores del propio analizador generan un “piso de ruido”, que determinan la mínima   señal que éste es capaz de

discernir.

13.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 13 constituye un poderoso auxiliar didáctico para que el alumno del curso de  Instrumentación Virtual, adquiera las competencias correspondientes a las herramientas para el diseño y desarrollo de instrumentos virtuales para el registro y análisis de señales discretas, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 3, “Instrumentos Virtuales de Registro y Análisis” en el subtema 3.2 “Analizador de espectros”.  Con el desarrollo de esta práctica se pretende fortalecer una serie de competencias genéricas para como: habilidades análisistrabajo y síntesis de conocimientos,, habilidad conocimientos investigar, trabajo de autónomo, en equipo, interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. La competencia específica del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica es: habilidad para crear instrumentos virtuales para el registro y el análisis de señales, obtenidas mediante un sistema DAQ.

13.4. Material y equipo necesario 13.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior 13.4.2. Equipo   Computadora personal   Tarjeta DAQ NI-USB6008   Generador de funciones 







13.5. Metodología 13.5.1. Analizador de espectros virtual 13.5.1.1. Construya un VI en cuyo panel frontal figure un control numérico con la etiqueta “ fs” (para la frecuencia de mue streo), un control numérico con la etiqueta “ N ” (para el número de muestras), un botón de paro, un gráfico con la etiqueta “Señal en el tiempo” y un gráfico con la etiqueta “ Espectro de la señal”, como se muestra en la figura 13.5. 

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Práctica 13________________________________________________________________

Figura 13.5: Analizador de espectros virtual.

13.5.1.2. Para desarrollar el código de este VI, es posible utilizar el mismo algoritmo usado en la práctica 2 para determinar el espectro de una señal a  partir muestras. código de dicho para algoritmo, G, se muestradeensus la figura 13.6.El Desarrolle el código adquirirenla lenguaje señal mediante las librerías de DAQmx. Salve este VI como Analizador de Espectros.vi.

Figura 13.6: Algoritmo para estimar el espectro de una señal a partir de  N  muestras.  muestras.

13.5.2. Serie de Fourier trigonométrica de señales periódicas 13.5.2.1. Mediante el análisis de Fourier obtenga la representación representación por senos y cosenos de una forma de onda cuadrada simétrica,  x(t), de amplitud  A y con ciclo de trabajo del 50%, como la que se muestra en la figura 13.7. Puesto que la señal es impar, y puesto que su valor promedio, o de CD es cero, la serie solamente tendrá tendrá coeficientes para para las componentes componentes del seno, esto es es  xt   b1sen sen( t )  b2 sen sen(2      b  3 sen sen(3 t )  b4 sen sen(4 t )  ...     t ) 

(13.2)

87

 

Práctica 13________________________________________________________________  xt  +A

t 

-A

T 

 

Figura 13.7: Forma de onda cuadrada.

13.5.2.2. Mediante el análisis de Fourier obtenga la representación representación por senos y cosenos de una forma de onda triangular simétrica,  x(t), de amplitud A y con ciclo de trabajo del 50%, como la que se muestra en la figura 13.8. Puesto que la señal es par, y puesto que su valor promedio, o de CD es cero, la serie solamente tendrá tendrá coeficientes para para las componentes componentes del coseno, esto esto es (13.3)  xt   a1 cos( t )  a2 cos(2    t )      a  3 cos(3 t )  a4 cos(4 t )  ...   xt  +A

t 

-A

T 

 

Figura 13.8: Forma de onda triangular.

13.5.3. Espectro de señales muestreadas 13.5.3.1. En el generador de funciones elija una forma de onda senoidal y  A=1V ) y seleccione una frecuencia entre ajuste la amplitud de la señal a 1V ( A=1V  10  y 50  Hz. En el panel frontal seleccione una frecuencia de muestreo,  fs, mucho mayor a la frecuencia de la señal y un número de muestras lo suficientemente grande para obtener una buena resolución en frecuencia,  Δf , (recuerde que  Δf=fs/N ). Modifique repetidamente la frecuencia de muestreo y el número de muestras y observe que sucede con el espectro de la señal. Si se

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Práctica 13________________________________________________________________

introduce un offset, o una componente de CD a la señal, ¿de que manera se modifica el espectro de la señal? ¿Para que resoluciones en frecuencia no se  presenta el fenómeno de fuga (leakage)? ¿Qué ocurre si se elige una frecuencia de muestreo, fs, que no cumpla con el teorema de muestreo? 13.5.3.2. En el generador de funciones elija una forma de onda cuadrada y 1V ( A=1V   A=1V ) y seleccione una frecuencia de 50 ajuste de la señal Enlaelamplitud panel frontal del VIa seleccione  fs=1000 Hz  y  N=200  (  Δf=5Hz). Observe el espectro resultante, ¿Qué relación guardan las líneas del espectro con los coeficientes b1, b2, b3, b4,…? 13.5.3.3. En el generador de funciones elija una forma de onda triangular y ajuste la amplitud de la señal a 1V ( A=1V   A=1V ) y seleccione una frecuencia de 50  Hz. En el panel frontal del VI seleccione  fs=1000 Hz  y  N=200  (  Δf=5Hz). Observe el espectro resultante, ¿Qué relación guardan las líneas del espectro con los coeficientes a1, a2, a3, a4,…? ¿Por qué las línea líneass del espectro de la señal triangular decrecen más rápidamente que las de la señal cuadrada?  Hz.

13.6. Sugerencias didácticas 13.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad de que investigue y repase el uso de los VI´s DAQmx Timming.vi y DAQmx Read.vi, así como los conceptos fundamentales de las series de Fourier, la Transformada Discreta de Fourier y el algoritmo para determinar el espectro de una señal, a partir de sus muestras, mediante la FFT y el fenómeno de fuga (leakage). Deberá presentarse a la sesión de laboratorio con los cálculos de los coeficientes de las series de Fourier ya realizados. 13.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 13.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 13.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hincapié enpor quelopuede daño parausar la tarjeta si se tocan hacer sus terminales, que resultar se haceennecesario una DAQ pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar.

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Práctica 13________________________________________________________________

13.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

13.7. Reporte del alumno 13.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 13.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  13.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un resum resumen en del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas.  Bibliografía.- Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

13.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001.

Rick Bitter, Taqi

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Práctica 13________________________________________________________________ “LabVIEW Signal Processing”,

Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005. “Signals and Systems”, Oppenheim, A.V., Wilski, A.S., Prentice Hall, 1996, 2nd Edition. “Tratamiento de Señales en Tiempo Discreto”, Oppenheim, A. V., Schafer, R.

W., Prentice Hall, 2000, 2ª Edición. “Análisis de Señales”, Irarrázaval, Pablo, Mc Graw Hill, 1999. “Tratamiento Digital de Señales, Principios, Algoritmos y Aplicaciones”,

Prentice Hall, 2000, 3ª Edición. “Procesamiento “Procesamie nto de Señales Analógicas y Digitales” , Ambardar, Ashok,

Thomson Learning, 1999, 2ª Edición.

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Práctica 14  Generador de Funciones 14.1. Objetivo El alumno implementará un generador de funciones virtual, que operará en tiempo real, mediante una tarjeta DAQ.

14.2. Introducción 14.2.1. Generador de señales Un generador de señales, de funciones o de formas de onda es un dispositivo electrónico de laboratorio que genera patrones de señales periódicas o no  periódicas tanto analógicas como digitales, en el dominio del tiempo. Se emplea normalmente en el diseño, prueba y reparación de dispositivos electrónicos. Existen diferentes tipos de generadores de señales según el  propósito y aplicación, de lo cual dependerá su costo. Tradicionalmente Tradicionalmente los generadores de señales eran dispositivos estáticos apenas configurables, pero actualmente permiten la conexión y control desde una computadora personal, con lo que pueden ser controlados mediante software hecho a medida según la aplicación, aumentando la flexibilidad. En la figura 14.1 se muestra un generador de funciones muy popular, el CFG250 de Tektronix.

Figura 14.1: Generador de funciones Tektronix CFG250.

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Práctica 14________________________________________________________________

Las formas de onda típicas que producen los generadores son las triangulares, cuadradas y senoidales. También son muy utilizadas las señales TTL que  pueden servir como señal de prueba o referencia en circuitos digitales. Otras aplicaciones del generador de funciones pueden ser las de calibración de equipos, rampas de alimentación de osciloscopios, etc.

14.2.2. existen Funcione Funciones s y controles controle s de undegenerador Aunque multitud de generadores funciones de mayor o menor complejidad, todos incorporan ciertas funciones y controles básicos que se describen a continuación, en base a la carátula del generador CFG250 de Tektronix, que se muestra en la figura 14.2.

Figura 14.2: Controles de un generador de funciones

1.  Botón de Encendido (Power button). Presionando este botón se enciende el generador de funciones. Si se presiona este botón de nuevo, el generador se apaga. 2. Luz de Encendido  (Power on light). Si la luz está encendida significa que el generador está funcionando. 3.  Botones de Función  (Function buttons). Los botones de onda senoidal, cuadrada o triangular determinan el tipo de señal provisto por el conector en la salida principal. 4. Botones de Rango (Range buttons) (Hz). Esta variable de control determina la frecuencia de la señal del conector en la salida principal. 5. Control de Frecuencia  (Frecuency Control). Esta variable de control determina la frecuencia de la señal del conector en la salida principal tomando en cuenta también el rango establecido en los botones de rango. 6. Control de Amplitud   (Amplitude Control). Esta variable de control, dependiendo de ladeposición botón deenvoltaje de principal. salida (VOLTS OUT), determina el nivel la señal del del conector la salida

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Práctica 14________________________________________________________________

7. Botón de rango de Voltaje de salida (Volts Out range button). Presiona este  botón para controlar el rango de amplitud de 0  a 2 Vp-p en circuito abierto o de 0  a 1 Vp-p  con una carga de 50Ω. Vuelve a presionar el botón para controlar el rango de amplitud de 0  a 20 Vp-p en circuito abierto o de 0  a 10 Vp-p con una carga de 50 Ω . 8.  Botón de inversión (Invert button). Si se presiona este botón, la señal del conector en la salida principal se invierte. Cuando el control de ciclo de máquina esta en uso, el botón de inversión determina determina que mitad de la forma de onda a la salida va a ser afectada. 9. Control de ciclo de trabajo  (Duty control). Tirando de este control se activa esta opción. 10. Offset de CD (DC Offset). Es necesario halar este control para activar esta opción. Este control establece el nivel de CD y su polaridad en la señal del conector en la salida principal. Cuando el control esta presionado, la señal se centra en 0 Voltios de CD. 11.  Botón de Barrido  (SWEEP button). Se presiona el botón para hacer un  barrido interno. Este botón botón activa los controles de rango de barrido y de ancho del barrido. Si se vuelve a presionar este botón, el generador de funciones  puede aceptar señales desde el conector de barrido externo (EXTERNAL (EXTERNAL SWEEP) localizado en la parte trasera del generador de funciones. 12. Rango de Barrido (Sweep Rate). Este control ajusta el rango del generador del barrido interno y el rango de repetición de la compuerta de paso. 13.  Ancho del Barrido  (Sweep Width). Este control ajusta la amplitud del  barrido. 14. Conector de la salida principal (MAIN output connector). Se utiliza un conector BNC para obtener señales de forma de onda senoidal, cuadrada o triangular. 15. Conector de la salida TTL (SYNC (TTL) output connector). Se utiliza un conector BNC para obtener señales de tipo TTL.

14.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 14 constituye un recurso para que el alumno del curso de  Instrumentación Virtual, adquiera las competencias correspondientes a las herramientas de análisis y diseño de instrumentos virtuales para la generación de datos y señales, conceptos que se se contemplan en el pro programa grama del curso en la Unidad No. 3, “Instrumentos Virtuales de Registro y Análisis” en el subtema 3.3 “Gener “Generador ador de funciones”. 

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Práctica 14________________________________________________________________

Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. La competencia específica del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica es: habilidad para crear instrumentos instrumentos virtuales para generar datos digitalmente y llevarlos al mundo físico de forma analógica, mediante dispositivos DAQ.

14.4. Material y equipo necesario 14.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI DAQmx 14.4.2. Equipo   Computadora personal   Osciloscopio 







14.5. Metodología 14.5.1. Generador de funciones en tiempo real 14.5.1.1. Utilizando LabVIEW construya un instrumento virtual para generar señales senoidal, triangular, cuadrada y diente de sierra. En el panel frontal coloque los principales principales controles controles de un generador de funciones, funciones, tales como como “Frecuencia”, “ Amplitud ”, ”, “Offset ”, ”, etc., como se muestra en la figura 13.3. 

Figura 14.3: Panel frontal del VI generador de funciones.

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Práctica 14________________________________________________________________

14.5.1.2. Para elaborar el código de este instrumento virtual, primeramente se hace necesario crear una tarea y configurar los parámetros de temporización. Posteriormente Posteriorm ente se generará la señal mediante el VI  Basic Function Generator , la señal generada se introduce al  DAQmx Write, el cual iniciará inmediatamente la generación de salida. En la figura 14.4 se muestra el diagrama de bloques de este generador. El ciclo WHILE permite que el  programa se mantenga en él un tiempo indefinido, antes de concluir la tarea. Para no ocupar al procesador todo el tiempo en un ciclo que no realiza acción alguna, se coloca en su interior un VI Wait   (ms). Mientras el programa se encuentre en este ciclo, la tarjeta DAQ generará continuamente los datos escritos en ella.

Figura 14.4: Código del generador de funciones en tiempo real.

14.5.1.3. Conecte un osciloscopio en las terminales de salida del canal ao0, ejecute el programa y verifique que todos los controles del generador de funciones operen correctamente. Una vez que el programa funcione adecuadamente, sálvelo como Generador de Funciones Virtual.vi 

14.6. Sugerencias didácticas 14.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que investigue investigue y repase el funcionamiento funcionamiento de los VI´s de la librería DAQmx.  14.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre elformar guión de la práctica. 14.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio.

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Práctica 14________________________________________________________________

Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 14.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar. 14.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

14.7. Reporte del alumno 14.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 14.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  14.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar las competencias  Bibliografía .- Enlista brevemente las referencias bibliográficasadquiridas. que consultaste, siguiente formato:

bajo el

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Práctica 14________________________________________________________________

Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

14.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Rick Bitter, Taqi

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

98

 

 

Práctica 15 Osciloscopio Virtual 15.1. Objetivo El alumno diseñará e implementará un osciloscopio osciloscopio virtual, mediante el uso de una tarjeta de adquisición de datos.

15.2. Introducción El osciloscopio es básicamente un instrumento de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. Las señales son mostradas en una pantalla rectangular, en donde el eje vertical representa el voltaje,  

mientras eje horizontal representa el tiempo. Visualizando forma de onda de que una elseñal en la pantalla del osciloscopio, es posible ladeterminar directamente la amplitud y el periodo, estimar la frecuencia, medir la fase ente dos señales y determinar las componentes de corriente directa y de corriente alterna de una señal.

Figura 15.1: Osciloscopio digital DSO1024A de Agilent Technologies.

99

 

Práctica 15________________________________________________________________

15.2.1. Tipos de osciloscopios Los osciloscopios pueden ser clasificados en dos tipos: analógicos y digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, esta una vez amplificada, desvía un haz de electrones en sentido vertical  proporcionalmente  proporcionalm ente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan  previamente un convertidor analógico-digital analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. La figura 15.1 muestra un osciloscopio digital DSO1024A fabricado por Agilent Technologies. Ambos tipos de osciloscopios tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriam aleatoriamente). ente). 15.2.2. El osciloscopio analógico Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo en este instrumento. En la figura 15.2 se muestra el diagrama de bloques de un osciloscopioo analógico. osciloscopi Señal de entrada

Cátodo

Sección Vertical  Atenuador 

 Amplificador   Amplificador  Vertical

CRT

Sección Horizontal Sección Disparo

Generador de rampa

Base de tiempos

 Amplificador   Amplificador  Horizontal

 

Figura 15.2: Diagrama de un osciloscopio analógico.

Cuando se aconecta la terminal entrada a undecircuito, la señal atraviesa y se dirige la sección vertical.deDependiendo donde situemos el mandoesta del amplificador vertical atenuaremos atenuaremos la señal ó la amplificaremos. amplificaremos.

100

 

Práctica 15________________________________________________________________

En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para excitar las  placas de deflexión verticales (que naturalmente están en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa. La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el  barrido horizontal horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la  parte izquierda de de la pantalla a la parte derecha en un determinado determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de una señal diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando Time-Base. El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra. De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales periódicas (se asegura que el trazado inicie en el mismo punto de la señal repetitiva). 15.2.3. El osciloscopio digital Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal. En la figura 15.3 se muestra el diagrama de un osciloscopioo digital. osciloscopi Pantalla

Sección Vertical

Sección Adquisición de Datos Proceso

Señal de entrada  Atenuador   Atenuado r 

Convertidor  A/D

 Amplificador   Amplificador  Vertical

Memoria

Sección Horizontal Sección Disparo

Sistema de muestreo

Base de tiempos

 

Figura 15.3: Diagrama de un osciloscopio digital.

Sección Visualización

101

 

Práctica 15________________________________________________________________

Cuando se conecta la terminal de entrada de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacía el osciloscopio analógico. El conversor analógico-digital del sistema de adquisición de datos, muestrea la señal a intervalos de de tiempo determinados y convierte la señal voltaje continua en una serie valores digitales llamados muestras. En de la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el convertidor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo. Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para  presentar en pantalla la señal. señal. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un  predisparo, para observar procesos procesos que ten tengan gan lugar antes del del disparo. Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando  Ampl., el mando Time-Base  así como los mandos que intervienen en el disparo.

15.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La prácticadeNo.  Instrumentación 15 es un recurso didáctico que el estudiante que cursa la materia Virtual,paraadquiera las competencias correspondientes al manejo de las herramientas de análisis y diseño de instrumentos virtuales para la adquisición, el registro y el procesamiento de datos, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 3, “Instrument “Instrumentos os Virtuales de Regis Registro tro y Análisis” en el subtema subtema 3.4 “Otros”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad.

102

 

Práctica 15________________________________________________________________

Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: desarrollar la habilidad para diseñar instrumentos virtuales para adquirir y procesar datos y capacidad para implementar instrumentos virtuales  para el registro registro y análisis de datos.

15.4. Material y equipo necesario 15.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI DAQmx 15.4.2. Equipo   Computadora personal   Tarjeta DAQ NI USB-6008   Generador de funciones 









15.5. Metodología 15.5.1. Osciloscopio virtual de un canal 15.5.1.1. Mediante el software LabVIEW, genere un nuevo instrumento virtual, en cuyo panel frontal se tengan los controles numéricos “ Muestras por canal”, “Frecuencia de muestreo”, “Voltaje mínimo”, “Voltaje máximo”, un

 botón de paro y un gráfico de forma forma de onda (waveform graph) con la etiqueta “Osciloscopio Virtual”, tal como se muestra en la figura 15.4. 

Figura 15.4: Osciloscopio Virtual. 103

 

Práctica 15________________________________________________________________

15.5.1.2. En el diagrama de bloques genere el código para un osciloscopio virtual de un canal. Utilice las librerías del NI DAQmx para configurar la tarjeta DAQ, para la adquisición de la señal. Es conveniente hacer uso de un lazo temporizado (Timed Loop), con la finalidad de trabajar con mayor  precisión en tiempo tiempo real, como como en la figura 15.5. 15.5.

Figura 15.5: Código para un osciloscopio virtual de un canal.

15.5.1.3. En el generador de funciones ajuste la amplitud de la señal a un nivel inferior a 5V  y  y la frecuencia entre 10 y 100Hz. Conecte la salida del generador de funciones al canal ai0 de la tarjeta DAQ y ejecute el VI, una vez que este corra sin problemas, sálvelo con el nombre de Osciloscopio Virtual.vi.  15.5.2. Osciloscopio virtual de dos canales  15.5.2.1. Modifique el código del osciloscopio virtual para que sea posible adquirir simultáneamente dos señales analógicas. 15.5.2.2. Haciendo uso del generador de funciones aplique simultáneamente las dos señales de salida,  MAIN   y SYNC   (TTL), como entradas a la tarjeta DAQ, y ejecute el instrumento virtual. Haga distintos ajustes para verificar el correcto funcionamiento del osciloscopio virtual, y una vez que no existan errores, sálvelo de nuevo.

15.6. Sugerencias didácticas 15.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad de que investigue y repase los principios básicos del osciloscopio, así como el funcionamiento de los VI´s de la librería DAQmx y el uso del lazo temporizado (Timed Loop).  15.6.2. Conviene enpresente una clase previa a lasobre práctica, el profesor aclare cualquier duda queque se les a los alumnos el guión de la práctica.

104

 

Práctica 15________________________________________________________________

15.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 15.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar. 15.5.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

15.7. Reporte del alumno 15.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 15.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  15.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en

forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado. Puedes hacer para recomendaciones recomendacione s tanto el equipo como sobre las técnicas utilizadas el desarrollo de la sobre práctica. También es

importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas. 105

 

Práctica 15________________________________________________________________  Bibliografía.-

Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

15.8. Bibliografía preliminar “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert

H. Bishop, Prentice Hall, 2010,

Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” ,

Rick Bitter, Taqi

Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gr áfico áfico de Programa Programación” ción”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

106

 

 

Práctica 16 Control On-Off de un Proceso 16.1. Objetivo El alumno implementará un sistema de control en lazo cerrado de una planta física con controlador On-Off virtual, en tiempo real, mediante el software LabVIEW y una tarjeta de adquisición de datos.

16.2. Introducción La función que desarrolla un controlador automático es la de comparar el valor de la variable de salida de una planta con la entrada de referencia (valor deseado o punto de dicha determina el error yLa se genera una señalde deconsigna), control para reducircomparación el error a unsenivel muy pequeño. manera en que el controlador genera la señal de control, se conoce como acción de control. 16.2.1. Acciones de control Los controladores analógicos que se emplean principalmente en la industria, de acuerdo a sus acciones de control se pueden clasificar como:   Controladores de dos posiciones (todo o nada, On-Off)   Controlador proporcional (P)   Controladores integrales (I)   Controladores proporcional-integral (PI) 







Controladores proporcional-derivativo (PD) Controladores proporcional-integral-derivati proporcional-integral-derivativo vo (PID) El controlador a utilizar para controlar una planta se decide en base a la naturaleza de la planta y las condiciones bajo las cuales va a operar, también se toman en cuenta aspectos tales como el costo, la seguridad, la confiabilidad, el tamaño, etc. 16.2.2. Acción de control de dos posiciones (On-Off) En un sistema de control de dos posiciones, el actuador tiene únicamente dos estados, que en muchos casos son simplemente conectado y desconectado, o abierto y cerrado. El controlador de dos posiciones es sencillo y económico, razón por la cual es ampliamente usado tanto en aplicaciones industriales como domésticas. 



   

107

 

Práctica 16________________________________________________________________

La operación del controlador de dos posiciones puede ser descrita de la siguiente manera: sea u(t) la señal de salida del controlador y e(t) la señal de error de entrada, entonces la señal u(t)  toma un valor máximo o mínimo, dependiendo si la señal de error e(t) es positiva o negativa, esto es U 1   para et   0 ut    U 2  para et   0   (16.1) en donde U 1  y U 2  son constantes. Usualmente el valor mínimo U 2 puede ser cero, o bien  – U  U 1. En la figura 16.1 se muestran los diagramas de bloques de controladores On-Off. et 

+ -

U 1

 

u t 

U 1

et 

+

 

-

U 2

u t  U 2

Brecha diferencial

a 

 

b 

  Figura 16.1: Controlador On-Off: (a) sin brecha diferencial; (b) con brecha diferencial.

El rango en el que la señal de error debe de variar, antes de que se produzca la conmutación, se denomina brecha diferencial. Esta brecha diferencial provoca que la salida del controlador u(t) mantenga su valor hasta que la magnitud de la señal de error haya rebasado el valor de cero. Es conveniente que exista una  brecha diferencial, ya que de esta manera se evita la acción excesivamente frecuente del elemento de control final o actuador. Nivel

Brecha diferencial

t 

 

Figura 16.2: Control On-Off del nivel de agua en un tanque.

108

 

Práctica 16________________________________________________________________

Un ejemplo típico es el sistema de control de nivel de agua de un tanque sobre la azotea en una residencia. En dicho sistema el actuador suele ser una bomba que impulsa el agua desde la cisterna hacia el tanque. La bomba se enciende cuando el nivel de agua en el tanque alcanza un valor mínimo y se apaga cuando el nivel de agua en el tanque alcanza un valor máximo. La salida del controlador no cambiará mientras el nivel se mantenga dentro de los límites superior e inferior, esto es, dentro de la brecha diferencial. En la figura 16.2 se muestra la respuesta de este sistema de control de nivel.

16.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 16 constituye un recurso para que el alumno del curso de  Instrumentación Virtual, adquiera las competencias correspondientes a las herramientas de análisis y diseño de sistemas de control de procesos por computadora, que se contemplan en el programa en la Unidad No. 4,conceptos “Implementación de Controladores Digitales”del en curso el subtema 4.1 “Control On-Off”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende contribuir a desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: habilidad para diseñar sistemas de control discreto de dos  posiciones y capacidad para implementar implementar sistemas sistemas discretos de control On-Off en tiempo real.

16.4. Material y equipo necesario 16.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI DAQmx 16.4.2. Equipo   Computadora personal   Tarjeta DAQ NI USB-6008   Proceso físico 









109

 

Práctica 16________________________________________________________________

16.5. Metodología 16.5.1. Controlador On-Off 16.5.1.1. Mediante LabVIEW desarrolle un subinstrumento virtual que desempeñe la función de un controlador de dos posiciones, On-Off. En el  panel frontal de este SubVI coloque tres controles numéricos con las etiquetas “ Límite superior ”, ”, “ Límite inferior ” y “ Entrada”, también coloque un LED con la etiqueta “Salida”, tal como se muestra en la figura 16.3(a). 

16.5.1.2. Edite el código de este SubVI como se muestra en la figura 16.3(b). Para verificar la correcta operación del controlador, ajuste el Límite inferior a 2 y el Límite superior a 4 y la Entrada en 0. Al ejecutar continuamente este  programa deberá observar que la Salida se enciende cuando la Entrada está  por debajo del Límite Límite inferior, y la Salida Salida se apaga cuando cuando la Entrada rebasa rebasa el Límite superior. Mientras la entrada permanezca dentro de ambos límites, en la salida no se  presentará cambio cambio alguno.

Figura 16.3: Controlador On-Off virtual: (a) panel frontal; (b) diagrama de bloques.

16.5.1.3. Una vez que el SubVI opere correctamente, proceda a editar el ícono/conector y sálvelo como Controlador On-Off.vi.

16.5.2. Sistema en lazo cerrado con controlador On-Off 16.5.2.1. Implemente un VI que desempeñe la función de controlar un proceso físico en lazo cerrado, mediante una tarjeta DAQ. En el panel frontal del VI coloque un indicador LED con la etiqueta “ Salida”, un control numérico con la etiqueta “ Límite superior ”, ”, un control numérico con la etiqueta “ Límite inferior ”, ”, un control numérico con la etiqueta “T (s)”, un botón de paro y un

gráfico de carta (chart) con la etiqueta de la variable del proceso, como se muestra en la figura 16.4.

110

 

Práctica 16________________________________________________________________

Figura 16.4: Sistema en lazo cerrado con controlador On-Off virtual.

16.5.2.2. Desarrolle el código de este VI utilizando el Controlador On-Off.vi, así como las librerías del NI DAQmx, o bien el DAQ Assistant, para configurar la tarjeta de adquisición Paraelelestado estadodedeencendido apagado (Off) utilice una señal de control de salidade dedatos. 0V  y  y para (On) utilice una señal de control de salida de 5V . Para verificar el desempeño del sistema de control en lazo cerrado, pueden hacerse las primeras pruebas sobre un sistema de primer orden RC, directamente conectado a la tarjeta DAQ, con constante de tiempo entre 1 y 5s. El periodo de muestreo (T ) a utilizar, deberá de ser mucho menor que la constante de tiempo de la planta. Una vez que este VI opere correctamente, sálvelo como Sistema en lazo cerrado con  controlador On-Off.vi On-Off.vi. 16.5.2.3. Utilizando un proceso físico, implemente un sistema en lazo cerrado con este controlador On-Off virtual y ejecute el programa para controlar la variable de la planta. Haga los ajustes convenientes en el periodo de muestreo y en los límites superior e inferior de la planta, de tal forma que se obtenga una respuesta adecuada de control. ¿Qué ocurre si se reduce demasiado la  brecha diferencial? diferencial?

16.6. Sugerencias didácticas 16.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que investigue investigue y rrepase epase los conceptos básicos básicos de los sistemas de control en lazo cerrado y las características del controlador On-Off.  16.6.8.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica.

111

 

Práctica 16________________________________________________________________

16.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 16.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar. 16.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

16.7. Reporte del alumno 16.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 16.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  16.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en

forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionad  proporcionado. o. Puedes hacer para recomendaciones recomendacione s tanto el equipo como sobre las técnicas utilizadas el desarrollo de la sobre práctica. También es

importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. 112

 

Práctica 16________________________________________________________________  Bibliografía.-

Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

16.8. Bibliografía preliminar “Sistemas de Control en Tiempo Discreto” ,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall,

Segunda Edición, 1997. “ Ingeniería de Control Moderna”,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall, Quinta

Edición, 2010. “Digital Control of Dynamic  Systems”,

Gene F.  Franklin, J. David Powell, Michael L. L. Workman, Workman, Prentice Hall, Hall, 1997. “Computer-Controlled Systems: Theory and Design ”, Karl A. Astrom, Bjorn Wittenmak, Prentice Hall, Third Edition, 1996. “Digital Control System Analysis and Design”  Charles L. Phillips, H. Troy  Nagle, Prentice Hall Hall International, International, Inc., 4th Edition, Edition, 2007. “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert H. Bishop, Prentice Hall, 2010, Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” , Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW,  Entorno Entorno Gráfico de Programación” Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. 3rd Edition,

“LabVIEW 7.1,Lázaro, Programación para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Joaquín Gráfica del Río Fernández, Thomson, 2005.

113

 

 

Práctica 17 Control PI de un Motor de C.D. 17.1. Objetivo El alumno controlará la velocidad de un motor de C.D. mediante un controlador PI virtual.

17.2. Introducción Para un controlador de acción proporcional, la relación entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t), está dada por la ecuación ut   K  pet    (17.1) o bien, en términos de la transformada de Laplace, U s  (17.2)    K p    E s  en donde a K  p se le denomina ganancia proporcional. El controlador proporcional es en sí, un amplificador con ganancia ajustable. En la figura 17.1 se muestra el diagrama de bloques de este controlador.

 

 E s 



K  p



U s 

 

Figura 17.1: Diagrama de bloques de un controlador proporcional.

La acción de un controlador proporcional-integral, esta definida por la ecuación (17.3).

 

ut   K  pet  

K  p T i

t 

 et dt   0

(17.3)

La función de transferencia del controlador proporcional-integral está dada  por U s 

  1    K  p 1    

(17.4)

 E s 

   

T i s 

114

 

Práctica 17________________________________________________________________

en donde K  p es la ganancia proporcional y T i es denominado tiempo integral. Tanto K  p como T i son ajustables. El tiempo integral regula la acción de control integral, mientras que cualquier ajuste a K  p  afecta tanto a la parte integral como a la proporcional de la acción de control. El recíproco del tiempo integral T i  es denominado  frecuencia de reposición. La frecuencia de reposición es la cantidad de veces por minuto que se repite la acción  proporcional. La frecuencia frecuencia de reposición se mide en términos de repeticiones  por minuto. En la figura 17.2 se muestra el diagrama de bloques de un controlador  proporcional-integral.  proporcionalintegral.

 E s 

 

K  p 1     T i s 

U s 

T i s

 

Figura 17.2: Diagrama de bloques de un controlador proporcional-integral.

17.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 17 es un auxiliar didáctico para que el estudiante del curso de  Instrumentación Virtual, adquiera las competencias correspondientes a las herramientas de análisis y diseño de sistemas de control de procesos por computadora, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 4, “Implementación de Controladores Digitales”, en el subtema 4.2 “Controlador PID”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: habilidad para diseñar sistemas de control discreto mediante el algoritmo de control proporcional-integral y capacidad para implementar

sistemas discretos de control PI en tiempo real. 115

 

Práctica 17________________________________________________________________

17.4. Material y equipo necesario 17.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI DAQmx 



17.4.2. Equipo   Computadora personal   Tarjeta DAQ NI USB-6008   Prototipo para el control de un motor de C.D. 





17.5. Metodología 17.5.1. Control de velocidad PI de un motor de CD 17.5.1.1. Desarrolle un VI para desempeñar la función de controlar la velocidad de un motor de corriente directa, con controlador proporcionalintegral, mediante una tarjeta tarjeta DAQ. En el panel frontal frontal del VI coloque un control numérico con la etiqueta “ Referencia (RPM)”, un control numérico con la etiqueta “Kp”, un control numérico con la etiqueta “ Ki”, un control numérico con la etiqueta “Kd ”, ”, un control numérico con la etiqueta “ T (s)”, un  botón de paro y un gráfico de carta (chart) con la etiqueta “Velocidad del  Motor”, como se muestra en la figura 17.3.

Figura 17.3: Control PI de un motor de C.D.

17.5.1.2. Para desarrollar el diagrama de bloques puede hacer uso del controlador PID desarrollado en la práctica No. 8 ( Controlador PID.vi), como SubVI. Con la finalidad de que este controlador se desempeñe como PI , deberá ajustarse la constante derivativa a cero, esto es, Kd=0. Para configurar la tarjeta DAQ pueden utilizar las librerías del DAQmx o bien el DAQ Assistant, como se ilustra en la figura 17.4. Considere como variable de salida

del sistema la velocidad del motor. 116

 

Práctica 17________________________________________________________________

Figura 17.4: Código del sistema en lazo cerrado con controlador PI virtual.

17.5.1.3.hacerse Para verificar el desempeño del sistema dea control en orden lazo cerrado,  pueden las primeras primeras pruebas sobre un sistema sistem de primer  RC  con  con constante de tiempo entre 1  y 5s. Para elegir adecuadamente el periodo de muestreo (T )),, elija una décima parte del tiempo de subida de la variable de salida, o menos (T≤t  /10 ). Una vez que este VI opere correctamente, sálvelo r  r  como Control PI de un Motor de CD.vi .

17.5.2. Desempeño del controlador controlador PI PI 17.5.2.1. Arme el sistema de lazo cerrado con el motor de C.D. Con las constantes Ki=Kd=0, ajuste la constante proporcional a un valor inicial de uno, esto es Kp=1, y ejecute el programa, aplicando un escalón como referencia. valor el error en estado estable? Detenga el programa e incremente ¿Qué el valor de tiene Kp, ejecute de nuevo el VI y observe la respuesta del motor. Repita este proceso de ajustar Kp, de tal forma que el motor  proporcione la respuesta más rápida posible, sin que la respuesta del proceso se torne inestable. ¿Qué sucede con el error de estado estable a medida que se incrementa Kp? ¿Cómo responde el control al aplicar carga al motor? 17.5.2.2. Reduzca Kp a la mitad del último valor utilizado y proceda a realizar un ajuste a la constante integral, pudiéndose iniciar con Ki=0.1. ¿Que ocurre con el error de estado estable cuando se introduce la función integral? Modifique el valor de la referencia y observe la respuesta transitoria del sistema en lazo cerrado. Ajuste gradualmente el valor de Ki, hasta obtener una respuesta lo suficientemente rápida y estable, cuidando que el sobreimpulso no sea muy elevado. ¿Cómo responde este control al aplicar carga al motor?

117

 

Práctica 17________________________________________________________________

17.6. Sugerencias didácticas 17.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que investigue investigue y rrepase epase los conceptos básicos básicos de los sistemas de control en lazo cerrado y las características del controlador  proporcional (P) (P) y del controlador controlador proporcional-integral proporcional-integral (PI). (PI).  17.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 17.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 17.6.4. pertinente que yel riesgos profesor asesoríaempleados, y supervisión constanteEssobre el manejo delproporcione equipo y material será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar. 17.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

17.7. Reporte del alumno 17.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  17.7.1.1. Estructuración 17.7.1.2. del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.

118

 

Práctica 17________________________________________________________________  Resultados.-

Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas.  Bibliografía.- Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

17.8. Bibliografía preliminar “PID Control Toolset User Manual” ,

National Instruments, November 2001

Edition. “Sistemas de Control en Tiempo Discreto” ,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall,

Segunda Edición, 1997. “Ingeniería de Control Moderna”,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall, Quinta

Edición, 2010. “Digital Control of Dynamic  Systems”,

Gene F.  Franklin, J. David Powell, Michael L. L. Workman, Workman, Prentice Hall, Hall, 3rd Edition, 1997. “Computer-Controlled Systems: Theory and Design ”, Karl A. Astrom, Bjorn Wittenmak, Prentice Hall,Analysis Third Edition, 1996.  Charles L. Phillips, H. Troy “Digital Control System and Design”  Nagle, Prentice Hall Hall International, International, Inc., 4th Edition, Edition, 2007. “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert H. Bishop, Prentice Hall, 2010, Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” , Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación” , José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

119

 

 

Práctica 18 Control PID de una Planta 18.1. Objetivo El alumno implementará un sistema en lazo cerrado con controlador PID virtual y controlará una planta planta física física en en tiempo tiempo rreal. eal.

18.2. Introducción La combinación de los efectos de acción proporcional, integral y derivativa, es denominada acción de control proporcional-integral-derivativa (PID). Esta combinación posee las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La acción de control PID describe la ecuación t  K  p se   mediante det    (18.1) ut   K  pet      et dt  K  pT d  0 T i

dt 

de donde tendremos que la función de transferencia de este controlador es     1 U s  (18.2)  K  p 1     T d s     E s  T  s i     en donde K  p es la ganancia proporcional, T i es el tiempo integral y T d d es el   tiempo derivativo. En la figura 18.1 se muestra el diagrama de bloques de un controlador PID. 

 E s  



 

K  p 1  T    i s  T iT d s 2 T i s



U s 

 

Figura 18.1: Diagrama de bloques de un controlador PID.

Si la señal de error e(t), que entra al controlador PID, es una rampa unitaria, como en la figura 18.2(a), salida del controlador u(t) resulta ser la que se muestra en entonces la figura la 18.2(b).

120

 

Práctica 18________________________________________________________________ u t  et 

 Acción de de contro controll PID

 Acción de de contro controll PD  Acción de de contro controll P

t 

0

a 

t 

0

 

b

 

Figura 18.2: Respuesta del controlador PID: (a) Entrada rampa unitaria y (b) salida.

18.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 18 constituye es un medio para que el alumno del curso de  Instrumentación herramientas de Virtual análisis,

competencias correspondientes las yadquiera diseño las de sistemas de control de procesosa por computadora, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 4, “Implementación de Controladores Digitales” en el subtema 4.2 “Controlador PID”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos,, habilidad para investigar, trabajo conocimientos t rabajo autónomo, trabajo en equipo, interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad.

Las competencias específicas del curso, a desarrollar condeelcontrol apoyo discreto de esta  práctica son: habilidad para diseñar sistemas automáticos con el algoritmo de control proporcional-integral-derivativo y capacidad para implementar y sintonizar sistemas sistemas discretos de control PID en tiem tiempo po real.

18.4. Material y equipo necesario 18.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI DAQmx 18.4.2. Equipo   Computadora personal   Tarjeta DAQ NI USB-6008 









 

Proceso físico 121

 

Práctica 18________________________________________________________________

18.5. Metodología 18.5.1. Sistema en lazo cerrado con controlador PID 18.5.1.1. Desarrolle un VI para desempeñar la función de controlar la variable de un proceso mediante un controlador proporcional-integral-derivativo, a través de una tarjeta DAQ. En el panel frontal del VI coloque un control numérico con la etiqueta “Set-Point ”, un cluster con tres controles numéricos con las etiquetas “ Ganancia proporcional  Kc”, “Tiempo integral Ti (min) ” y “Tiempo derivativo Td (min)”, un control numérico con la etiqueta “T (s)”, un  botón de presión con la etiqueta etiqueta “ Auto/Man”, un botón de paro y un gráfico de carta (chart) con la etiqueta “Control PID de una Planta”, como se muestra

en la figura 18.3.

Figura 18.3: Control PID virtual de una planta.

18.5.1.2. Para elaborar el código de este VI, utilice como controlador el instrumento  PID.vi, proporcionado en el  PID Control Toolset de LabVIEW. Para configurar la tarjeta DAQ puede utilizar el DAQ Assistant o bien las librerías del DAQmx. 18.5.1.3. Con la finalidad de verificar el desempeño del sistema tanto en modo automático como manual, pueden hacerse las primeras pruebas sobre un sistema de primer orden RC  con  con constante de tiempo entre 1 y 5s. Una vez que este VI funcione satisfactoriamente, sálvelo como Control PID de una  Planta.vi. 18.5.2. Sintonización Sintonización del controlador PID en lazo cerrado 18.5.2.1. Arme un lazo de control sobre una planta física, y con Ti=∞  (podemos usar Ti=999999999999)  y Td=0, ejecute el programa en modo automático y proceda a encontrar un valor de Kc, de tal forma que la variable del proceso presente oscilaciones permanentes, sin que la salida se dispare o

se presente decaimiento. Para ello incremente gradualmente el valor de Kc, a 122

 

Práctica 18________________________________________________________________

la vez que hace modificaciones en el Set-Point , para provocar disturbio en el  proceso. Una vez que la salida del proceso presente oscilaciones permanentes,  proceda a registrar el periodo de dichas oscilaciones (T u) en minutos, y la  Banda Proporcional  del controlador (PBu) en porcentaje, esto es, PBu=100/Kc. Multiplique los valores medidos por los factores factores dados en la tabla 18.1, para la acción de control PI (con Td=0), e introduzca los nuevos  parámetros de sintonía en el controlador y observe la respuesta del sistema en lazo cerrado.

Acción de Control P PI PID

PB (%)

Reset (min) Rate (min) ∞  2.00 PBu  0 2.22 PBu  0.83T u  0 1.67 PBu  0.50T u  0.125 T u 

Tabla 18.1: Parámetros del controlador basados en la ganancia crítica y el periodo crítico.

18.5.2.2. Haciendo uso de la tabla 18.1, determine las constantes del controlador para la acción de control PID e introduzca los nuevos parámetros de sintonía en el controlador. Si se requiere menos sobreimpulso, es necesario incrementar el valor de Kc. ¿Qué cambios se observan en la respuesta del  proceso a partir partir de que se introduce introduce el efecto de derivativo rivativo en el ccontrolador? ontrolador? 18.5.3. Sintonización del controlador PID a partir de la respuesta del sistema en lazo abierto 18.5.3.1. Ponga el controlador en modo manual y ajuste la salida de control a un valor nominal de operación, por ejemplo 30%, y permita que la variable del  proceso (PV ) se estabilice totalmente. Registre los valores de la salida de control y de la PV . Provoque un cambio en la salida de control, por ejemplo 60%, permita que se estabilice la PV   y del gráfico resultante determine los siguientes parámetros: tiempo muerto (t d d ) en minutos, constante de tiempo (τ) en minutos y la ganancia del proceso (K =cambio =cambio en la salida/cambio en PV )).. 18.5.7.3.2. Multiplique los valores medidos por los factores dados en la tabla 18.2, e introduzca los nuevos parámetros de sintonía en el controlador. Si se requiere menos sobreimpulso, es necesario incrementar el valor de Kc. Con respecto al primer método de sintonía, ¿cambiaron significativamente los  parámetros del del controlador al al utilizar este segundo segundo método de sintonía?

Acción de Control P PI PID

PB (%)

Reset (min) Rate (min) 100Kt d  ∞  0 d /    τ  110Kt d  3.33t d  0 d /     τ  d   80Kt d  2.0t d  0.50t d  d /     τ  d   d  

Tabla 18.2: Parámetros del controlador basados en la respuesta al escalón de la planta. 123

 

Práctica 18________________________________________________________________

18.6. Sugerencias didácticas 18.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que investigue investigue y re repase pase los conceptos básicos básicos de los sistemas de control en lazo cerrado y las características del controlador PID, así como los métodos de sintonía del controlador PID por los métodos de lazo cerrado (última ganancia) y de lazo abierto (respuesta al escalón),  basados en las las reglas de sintonización sintonización de Ziegler-Nichols. Ziegler-Nichols.  18.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 18.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2mismo. operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el 18.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar. 18.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

18.7. delreporte alumno 18.7.1. Reporte Desarrolla un con el contenido siguiente: 18.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  18.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo,

124

 

Práctica 18________________________________________________________________

materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones.- Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas.  Bibliografía.- Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

18.8. Bibliografía preliminar “PID Control Toolset User Manual” ,

National Instruments, November 2001

Edition. “Sistemas de Control en Tiempo Discreto” ,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall,

Segunda Edición, 1997. “Ingeniería de Control Moderna ”,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall, Quinta

Edición, 2010. “Digital Control of Dynamic  Systems”,

Gene F.  Franklin, J. David Powell,

rd

Michael L. Workman, L. Workman, Prentice HTheory all, 3  Edition, 1997. “ Computer-Controlled Systems:Hall, and Design ”, Karl

A. Astrom, Bjorn

Wittenmak, Prentice Hall, Third Edition, 1996. “Digital Control System Analysis and Design”  Charles

L. Phillips, H. Troy

 Nagle, Prentice Hall Hall International, International, Inc., 4th Edition, Edition, 2007. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques”, Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación” , José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

125

 

 

Práctica 19 Compensador Discreto 19.1. Objetivo El alumno diseñará e implementará un compensador discreto virtual, para un  proceso físico físico de primer orden.

19.2. Introducción Los métodos basados en transformaciones fueron desarrollados antes de que se tuvieran disponibles las computadoras, y los ingenieros tenían que depender de cálculos manuales y de diagramas cuidadosamente representados para  poder un diseño. En la obtener actualidad, gracias a que se dispone de computadoras y paquetes de cómputo como el Matlab, las tareas de calcular y de graficar se han tornado  bastante sencillas, sencillas, rápidas y precisas.  La introducción del control digital y el muestreo de datos han añadido nuevas  posibilidades a los métodos de diseño mediante transformadas. transformadas. La transformada  z es añadida a las transformadas de Laplace y de Fourier y los  polos y los ceros toman sentido con relación al círculo unitario, más que con el eje imaginario, y la respuesta a la frecuencia es restringida a la mitad de la frecuencia de muestreo. 19.2.1. Especificaciones de un sistema Los principales a considerar en el diseño de un estable controlador son una  buena respuestaaspectos transitoria, buena respuesta en estado así como el  proporcionar suficiente robustez. Los requerimientos requerimientos de la respuesta en el tiempo y de robustez necesitan ser traducidos en la localización de los polos y ceros en el plano s, de tal forma que permitan el diseño mediante transformadas. La operación dinámica en el dominio del tiempo es definida en términos de los parámetros de la respuesta del sistema a una entrada escalón, como se muestra en la figura 19.1. Los parámetros que son más frecuentemente utilizados son el tiempo de subida, t r r , el tiempo de establecimiento, t s, el  porcentaje de sobreimpulso, sobreimpulso,  M  p, y el error de estado estable, ess. Estos  parámetros se se aplican tanto en sistemas sistemas de control control continuo com comoo discreto.

126

 

Práctica 19________________________________________________________________ t  p

 1%  M  p

1 0.9

0.1

t r 

t 

t s

 

Figura 19.1: Respuesta transitoria de un sistema.

Las expresiones para estos requerimientos, en el plano s, se resumen como sigue: 

 

El requerimiento en frecuencia natural 1.8 es  n   

(19.1)

t r 



 

El requerimiento en la magnitud de la parte real del polo es   4.6 Resi          n   

(19.2)

t s

  El sobreimpulso fraccionario,  M  p, está dado en términos del factor de amortiguamiento,ζ , y puede ser aproximado mediante    0.6(1  M  p )   (19.3) Un sistema tipo 1 es aquel en el cual el error de estado estable es cero para una 

r 0   el error entrada escalón, mientras que para una entrada rampa de pendiente de estado estable es finito y está dado por ess=r 0 /K v, en donde K v  es la constante de velocidad. Para un sistema de lazo simple con retroalimentación unitaria y con función de transferencia directa  D(s)G(s), como el mostrado en la figura 19.2, el sistema es tipo 1 si DG tiene un polo simple en s=0.

w 

r     

e

   D

  u 

  



G

 

c  

Figura 19.2: Sistema en lazo cerrado con retroalimentación unitaria. 127

 

Práctica 19________________________________________________________________ 

 

La constante de velocidad está dada por K v 

r 0 ess

s lim0 Ds Gs   

(19.4)

  Una elección razonable del periodo de muestreo T , es la que resulta de tomar al menos 6 muestras durante el tiempo de subida del sistema en lazo cerrado, y mejor aún, se obtiene un control más suave cuando se toman más de 10 muestras durante el tiempo de subida. La robustez es la propiedad por la cual la respuesta dinámica del sistema no solo es satisfactoria para la función de transferencia nominal de la planta que ha sido utilizada para el diseño, sino para una serie de funciones de transferencia que expresan la incertidumbre del diseñador en torno al ambiente dinámico dentro del cual se espera que opere el controlador. Una discusión más fácil de entender se da cuando se considera para el diseño el método de la respuesta a la frecuencia. Para el diseño mediante el método del lugar de las raíces, la medida natural de la robustez es el margen de



ganancia. Se puede comparar la ganancia del sistema en el punto de operación y en los puntos en donde se produce inestabilidad para deseado determinar que cambio es aceptable en la ganancia.   Un requerimiento típico de robustez es aquel que debe de contar con un margen de ganancia de dos, de tal forma que la ganancia de lazo sea del doble del valor del diseño, antes de llegar al límite de la estabilidad. El diseño de un controlador digital puede desarrollar desarrollarse se por emulación, esto es, se realiza partiendo del diseño de un controlador continuo, posteriormente se selecciona el periodo de muestreo, para enseguida determinar un equivalente discreto y sustituir con él al controlador continuo. De esta manera el controlador discreto puede ser simulado y probado en un lazo de control 

discreto, requieran.y en caso de ser necesario se le harán las modificaciones que se

19.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 19 es un medio efectivo para que el alumno del curso de  Instrumentación Virtual, adquiera las competencias correspondientes a las herramientas de análisis y diseño de sistemas de control de procesos por computadora, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 4, “Implementación de Controladores Digitales” en el subtema 4.3 “Compensad “Compensadores”. ores”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de

competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de 128

 

Práctica 19________________________________________________________________

conocimientos, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, conocimientos, interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: habilidad para diseñar sistemas de control discreto para compensar un proceso y capacidad para implementar sistemas discretos de compensación para procesos físicos, en tiempo real.

19.4. Material y equipo necesario 19.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI DAQmx   Matlab 6 o superior 19.4.2. Equipo 





  

    

Computadora personal Tarjeta DAQ NI USB-6008 Circuito RC  con  con constante de tiempo entre 1 y 5 segundos

19.5. Metodología 19.5.1. Diseño y simulación del compensador continuo 19.5.1.1. A partir de una red  RC , cuyo cuya constante de tiempo asignará el  profesor a cada equipo, procédase a diseñar un compensador continuo, como en la figura 19.3, para que la respuesta transitoria del sistema en lazo cerrado,  para una entrada escalón, presente un sobreimpulso sobreimpulso menor o igual al 15%,  M  p≤0.15, y un tiempo de estabilización menor o igual a 10s, t s≤10s. Primeramente determine el factor de amortiguamiento, ζ, y la frecuencia natural, ωn. El sistema resultante en lazo cerrado será de segundo orden, esto

es, su función de transferencia será de la forma C s   Rs 



 n2 2   2 s  2s  n   n

Compensador 

 Rs 

 



 

 E s 

 Ds 

 

U s 

 

(19.5)

Planta

Gs  

1    RCs  1

C s 

 

Figura 19.3: Sistema en lazo cerrado con compensador continuo. 129

 

Práctica 19________________________________________________________________

19.5.1.2. Con los valores calculado s de ζ y ωn, proceda a simular la respuesta del sistema de segundo orden mediante el software Matlab. Verifique que la respuesta transitoria, para la entrada escalón, cumpla con los requerimientos del sobreimpulso y del tiempo de estabilización especificados. En caso necesario ajuste los valores de ζ y ωn. 19.5.1.3. Determine la función de transferencia del compensador continuo a  partir de   2    RCs  1  n   ss  2  n 

 Ds  

(19.6)

19.5.2. Equivalente discreto del compensador continuo 19.5.2.1. Elija el periodo de muestreo de tal forma que durante el tiempo de subida se tengan al menos diez muestras, esto es T≤t  /10 , o bien T≤0.18/ωn. r  r  19.5.2.2. Es posible obtener el equivalente discreto del compensador mediante la transformación bilineal, o por medio del equivalente polo-cero. Para ello es necesario usar el comando c2d , de Matlab, como se muestra enseguida: R=1000;   %Resistor en Ohms  R=1000;  Ohms  C=0.001;   %Capacitancia en Faradios C=0.001; RC=R*C;   %Constante RC RC=R*C; Z=0.5;   Z=0.5; %Factor de amortiguamiento Wn=1;   Wn=1; %Frecuencia natural T=0.1; %Periodo de muestreo, s numcompc=[RC*Wn^2 Wn^2];  Wn^2];   %Numerador compensador continuo dencompc=[1 2*Z*Wn 0];  0];   %Denominador compensador continuo compc=tf(numcompc,dencompc);   %Función de transferencia del compensador compc=tf(numcompc,dencompc); compd=c2d(compc, T, ‘tustin’);  %Compensador discreto

19.5.2.3. Es conveniente poner la función de transferencia del compensador resultante en términos de  z-1. Tomando el compensador resultante del paso anterior, tendremos que    z  0.05 z 2  0.004762 z  0.04524 0.05  0.004762 z 1  0.04524 z 2  M    (19.7)   D z    905 5 z  0.9048   1  1.90 905 5 z 1  0.9048 z  2  E  z   z 2  1.90 La ecuación (19.7) puede escribirse como (19.8)  M  z  1  1.905 905 z 1  0.9048 z 2   E  z    0.05  0.004762  z 1  0.04524 z 2   o bien como      M  z   0.05 E  z   0.004762 z 1 E  z   0.04524  z 2 E  z   1.90 905 5 z 1 M  z   0.9048 z 2 M  z    (19.9) Aplicando transformación a (19.9), obtenemos la ecuación en diferencias que nos permitiráinversa implementar el compensador discreto virtual,

 para la planta de primer orden, orden, esto es 130

 

Práctica 19________________________________________________________________ 905 5mk   1  0.9048mk   2   mk   0.05ek   0.004762 ek   1  0.04524    ek   2  1.90

(19.10) En la figura 19.4 se muestra el diagrama de bloques del sistema de primer orden con el compensador discreto. El asterisco nos indica que las señales están muestreadas. muestreadas. Compensador discreto

 Rs 

 

 



 E s   E * s 

Retenedor 

 M  s 

 D s  *

Planta

U s 

*

 ZOH 

1  RCs  1

 

C s 

 

Figura 19.4: Sistema en lazo cerrado con compensador discreto.

19.5.3. Implementación del compensador discreto en tiempo real 19.5.3.1. Mediante LabVIEW, un VI para desempeñar la función de compensador virtual para unimplemente proceso de primer orden, mediante una tarjeta DAQ. En el panel frontal del VI coloque un control numérico con la etiqueta “ Referencia”, un botón de paro y un gráfico de carta (chart) con la etiqu eta “Compensador Discreto de una Planta de Primer Orden”, como se ilustra en la figura 19.5.

Figura 19.5: Compensador discreto para una planta de primer orden.

19.5.3.2. En el desarrollo desarrollo del diagrama de bloques bloques de este VI, haga uso de un nodo FORMULA para escribir el código correspondiente a la ecuación en diferencias (19.10), con la cual se desarrollará la compensación de la  planta  RC . Para configurar la tarjeta DAQ puede utilizar el DAQdiscreta Assistant o

 bien las librerías librerías del DAQmx, DAQmx, como en la figura 19.6 19.6.. 131

 

Práctica 19________________________________________________________________

Figura 19.6: Código del compensador discreto diseñado.

19.5.3.3. Ejecute el VI y verifique su correcto funcionamiento. Salve el VI Compensador Discreto de un Sistema de Primer Orden.vi. ¿Cómo es la como respuesta del compensador discreto con respecto a la respuesta del compensador continuo simulado? ¿Qué sucede con la respuesta del compensador discreto si se rediseña con un periodo de muestreo significativamente significativam ente menor?

19.6. Sugerencias didácticas 19.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que investigue investigue y rrepase epase los conceptos básicos básicos de los sistemas de control en lazo cerrado, las características de los procesos de segundo orden, el diseño de compensadores continuos y la obtención de equivalentes discretos de un compensador. El alumno deberá presentarse a la sesión de laboratorio con el compensador diseñado y simulado en Matlab.  19.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 19.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo.

132

 

Práctica 19________________________________________________________________

19.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar. 19.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

19.7. Reporte del alumno 19.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 19.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  19.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizas realizaste, te, así como un res resumen umen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con

tus propias palabras los conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye Asimism un análisis de los lo s resultados. Conclusiones .- Emite juiciosbreve y conclusiones acerca

de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas.  Bibliografía.- Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

133

 

Práctica 19________________________________________________________________

19.8. Bibliografía preliminar “Sistemas de Control en Tiempo Discreto” ,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall,

Segunda Edición, 1997. “Ingeniería de Control M oderna oderna”,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall, Quinta

Edición, 2010. “Digital Control of Dynamic  Systems”,

Gene F.  Franklin, J. David Powell, Michael L. L. Workman, Workman, Prentice Hall, Hall, 3rd Edition, 1997. “Computer-Controlled Systems: Theory and Design ”, Karl A. Astrom, Bjorn Wittenmak, Prentice Hall, Third Edition, 1996. “Digital Control System Analysis and Design”  Charles L. Phillips, H. Troy  Nagle, Prentice Hall Hall International, International, Inc., 4th Edition, Edition, 2007. “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert H. Bishop, Prentice Hall, 2010, Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques”, Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing” , Mahesh Michael Serna, Prentice Hall, 1998.

L. Chugani, Abhay R. Samant, “LabVIEW,, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno, “LabVIEW José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007. “LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” , Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

134

 

 

Práctica 20  Controlador Difuso 20.1. Objetivo El alumno diseñará e implementará un control de lógica difusa virtual, para controlar un proceso físico, en tiempo real.

20.2. Introducción La lógica difusa es una metodología que proporciona una manera simple y elegante de obtener una conclusión a partir de información de entrada vaga, ambigua, imprecisa, con ruido o incompleta, en general la lógica difusa imita la forma en quemencionadas. una persona Una toma de decisiones basada características las ventajas de en la información lógica difusa,con es las la  posibilidad de implementar sistemas basados en ella tanto en hardware como en software, o en combinación de ambos.  20.2.1. Conjuntos difusos El concepto clave para entender como trabaja la lógica difusa es el de conjunto difuso. Se puede definir un conjunto difuso de la siguiente manera: si se cuenta con un posible rango de valores al cual llamaremos U , donde U es elemento de  Rn, y  Rn es un espacio de n dimensiones, a U  se   se le denominará universo de discurso. Un conjunto difuso  A, en el universo de discurso U , se caracteriza por una función de pertenencia  µ A(x)  que toma valores en el [0,1] , y que puede presentarse como un conjunto de pares ordenados intervalo  x y su valor de pertenencia al conjunto. Podemos decir que el conjunto  A  es matemáticamente equivalente a su función de pertenencia o característica  µ A(x), ya que conocer µ A(x) es lo mismo que conocer  A. Por ejemplo, supóngase que se desea representar con conjuntos difusos la variable altura de una persona, en esta caso el universo de discurso será el rango de posibles valores de la altura que tenga un persona adulta, se elegirá un rango entre 140cm  y 200cm, valores por fuera de este rango son posibles  pero son muy muy escasos, por lo que el universo de discurso U = [140, 200] . Para denominar los conjuntos difusos se suelen trabajar con etiquetas lingüísticas similares similares a las que se usan de manera coloquial, por ejemplo, en la  MB),  Baja  (  B B),  Mediana  vida diaria decimos que una persona es  Muy Baja  ( MB

135

 

Práctica 20________________________________________________________________

( M   M ), ),  Alta ( A) y  Muy Alta  ( MA), como se ilustra en la tabla 20.1 y en la figura 20.1.

Etiqueta

Rango [min, max]

 MB   B   M    A   MA 

[140,160]  [160,170]  [170,180]  [180,190]  [190,200] 

Tabla 20.1: Conjuntos difusos para la altura de una persona.

MB

B

M

A

160

170

180

MA

1

0.5

0 140

150

190

200

 

Figura 20.1: Conjuntos difusos para la altura de una persona.

Si en el ejemplo anterior se desea trabajar con conjuntos clásicos, se tienen  A) o Bajo ( B  B). Se supondrá que alguien es Alto si mide dos opciones, Alto ( A más de 170cm, en caso contrario es Bajo, como se aprecia en la figura 20.2.

B

A

1

0.5

0 140

150

160

170

180

190

200

Figura 20.2: Conjuntos clásicos para la altura de una persona.

 

136

 

Práctica 20________________________________________________________________

20.2.2. Operaciones entre conjuntos difusos De manera similar a como entre los conjuntos clásicos se realizan operaciones entre ellos, en conjuntos difusos se puede hacer lo mismo, pero debido a la naturaleza diferente de ellos, la formulación de estas operaciones es algo especial.  En la figura 20.3 se muestran dos conjuntos difusos, los cuales nos serán útiles para definir las operaciones fundamentales que entre ellos es  posible realizar.    A  x 

 

  B  x 

1

1

5

8

 x

 

4

x

 

Figura 20.3: Dos conjuntos difusos.

20.2.3. Intersección  La idea intuitiva de intersección, heredada de los conjuntos clásicos, expresa que el conjunto intersección de dos conjuntos  A  y  B, se define como los elementos que están en el conjunto  A  Y   en el conjunto  B; de esta manera la intersección entre conjuntos se puede entender como una operación tipo  AND  entre los mismos. Siguiendo esta idea, se podría graficar la intersección de los conjuntos difusos mostrados en la figura 20.3, como se ilustra en la figura 20.4(a). De manera similar a como se define el nivel de pertenencia a un conjunto difuso, podemos determinar el nivel de pertenencia del valor  x= 4.5, a la intersección de los dos conjuntos difusos difusos mostrados, como se aprecia en la figura 20.4(b). 

  A B

  A B 1

1

4

5

(a)

8

 x

   x  4.5

4

5

(b)

8

 x

 

de dos conjuntos difusos; (b) valor de pertenencia de x=4.5  Figura 20.4: (a) Intersección de la intersección de los dos conjuntos difusos.

137

 

Práctica 20________________________________________________________________

Gráficamente se observa que el valor  x=4.5 tiene un nivel de pertenencia de 0.5 al conjunto  A y de 0.2 al conjunto  B, y el valor de pertenencia de  x= 4.5 a la intersección (zona sombreada) se desea expresar como una operación entre estos valores. Se observa que de estos dos valores, el que "toca" la zona sombreada es el de 0.2 por lo que de manera intuitiva se puede afirmar que el valor de pertenencia del valor dado a la intersección de los conjuntos  A y B es el valor mínimo de los valores de pertenencia del dicho valor a los conjuntos de manera individual, de manera matemática lo anterior se puede expresar como C    A  B 

 x U   

(20.1) (20.2)

mi n    A  x,   B  x    A B  min

20.2.4. Unión  La idea intuitiva de unión, heredada de los conjuntos clásicos, expresa que el conjunto unión de dos conjuntos  A  y  B, se define como los elementos que están en el conjunto  A  O  el conjunto  B. de esta manera la intersección entre ORla entre   conjuntos una se operación tipoen los20.5(a). mismos.De La unión se de puede estos entender conjuntoscomo difusos representa figura manera similar a como se define el nivel de pertenencia a un conjuntos difuso,  podemos encontrar el nivel de pertenencia de valor  x = 4.5 , a la unión de los dos conjuntos difusos mostrados, como podemos apreciar en la figura 20.5(b).    A

  A

1

1

 B

 B

   x  4.5

 x

 x 4

5

(a)

8

4

5

(b)

8

 

Figura 20.5: (a) Unión entre dos conjuntos difusos y (b) valor de pertenencia de  x=4.5 de la unión de los conjuntos difusos A y B.

Gráficamente se nota que el valor x=4.5 tiene un nivel de pertenencia de 0.5 al conjunto  A  y de 0.2 al conjunto  B, y el valor de pertenencia de  x= 4.5  a la unión (zona sombreada) se desea expresar como una operación entre estos valores. Se observa que de estos dos valores, el que "toca" la zona sombreada es el de 0.5 por lo que de manera intuitiva se puede afirmar que el valor de  pertenencia del valor dado a la unión de los conjuntos  A  y  B  es el valor máximo de los valores de pertenencia de dicho valor a los conjuntos de

manera individual, de manera matemática lo anterior se puede expresar como 138

 

Práctica 20________________________________________________________________ C    A  B 

 x U   

(20.3) (20.4)

  A B  ma max  x     A  x,   B  x  

20.2.5. Complemento  En conjuntos clásicos se define el complemento  como el conjunto de los elementos que le faltan a un conjunto para ser igual al conjunto universo. De la misma manera en conjuntos difusos, se habla del complemento como el conjunto formado por los valores de pertenencia que le permitirían al conjunto obtener el valor máximo de pertenencia posible, siendo 1 el valor máximo de  pertenencia que un conjunto difuso puede suministrar, entonces este conjunto se podría formar restándole a 1 los valores de pertenencia del conjunto difuso del que se desea encontrar el complemento, como se muestra en la figura 20.6(a). De manera similar a como se define el nivel de pertenencia a un conjunto difuso, podemos determinar el nivel de pertenencia de valor  x =6   al complemento del conjunto difuso A, como se muestra en la figura 20.6(b).

1

  A

 A

 

5

 x  6   A

  A

8

 x

(a)

5

8 (b)

 x

 

Figura 20.6: (a) Complemento de un conjunto difuso; (b) valor de pertenencia de  x=6  del  del complemento del conjunto difuso A.

En  x=6   se observa que el valor de pertenencia al conjunto  A  es de 0.8, si  pensamos en el complemento complemento como lo que le falta a esta valor para alcanzar el máximo valor posible se que es 1 se tendría que el nivel del pertenencia de  x=6   al complemento es de 0.2, en la figura 20.6(b) se puede verificar esta conclusión. Matemáticamente Matemáticamente esta operación se expresa como   A   1     A  

(20.5)

20.2.6. Sistema basado en técnicas de lógica difusa El diagrama de bloques de un sistema basado en técnicas de lógica difusa se muestra en la figura 20.7. Entrada datos

Difusor

Mecanismo de inferencia

Desdifusor  

Salida datos

REGLAS DIFUSAS

 

Figura 20.7: Sistema basado en lógica difusa. 139

 

Práctica 20________________________________________________________________

Dicho sistema está compuesto por los siguientes bloques:

   Bloque Difusor : en este bloque se le asigna a cada variable de entrada un grado de pertenencia a cada uno de los conjuntos difusos que se han considerado, mediante las funciones características asignadas a estos conjuntos difusos. Las entradas a este bloque son valores concretos de las variables de entrada y las salidas son grados de pertenencia a los conjuntos difusos considerados. 



   Bloque de inferencia: mediante mecanismos de inferencia relaciona conjuntos difusos de entrada y de salida y que representa a las reglas que definen el sistema. Las entradas a este bloque son conjuntos difusos (grados de pertenencia) y las salidas, son también conjuntos difusos, asociados a la variable de salida. 



   Desdifusor : en este bloque, a partir del conjunto difuso obtenido en el mecanismo de inferencia y mediante los métodos matemáticos de desdifusión, se obtiene un valor concreto de la variable de salida, es decir, el resultado. 



20.3. Correlación de la práctica con los temas y subtemas del programa de estudio vigente La práctica No. 20 es un valioso recurso didáctico para que el alumno del curso de  Instrumentación Virtual, adquiera las competencias correspondientes a las herramientas de análisis y diseño de sistemas de control de procesos por computadora, conceptos que se contemplan en el programa del curso en la Unidad No. 4, “Implementación de Controladores Digitales” en el subtema 4.4 “Otros algoritmos de control”.  Con la ejecución de esta práctica se pretende desarrollar una serie de competencias genéricas como: habilidades de análisis y síntesis de conocimientos, habilidad para investigar, trabajo autónomo, trabajo en equipo, interacción social, cooperación, habilidades interpersonales, gestión del tiempo, capacidad de aprender, capacidad de adaptarse a nuevas situaciones, comunicación oral y escrita y creatividad. Las competencias específicas del curso, a desarrollar con el apoyo de esta  práctica son: habilidad para diseñar sistemas de control no convencional y capacidad para implementar sistemas discretos de control difuso, que operen

en tiempo real. 140

 

Práctica 20________________________________________________________________

20.4. Material y equipo necesario 20.4.1. Software   LabVIEW 10 o superior    NI DAQmx 



20.4.2. Equipo   Computadora personal   Tarjeta DAQ NI USB-6008   Proceso físico 





20.5. Metodología 20.5.1. Controlador PID difuso 20.5.1.1. Desarrolle un VI para desempeñar la función de controlar la variable de un proceso mediante un controlador Proporcional-Integral-Derivativo difuso, a través de una tarjeta DAQ. En el panel frontal del VI coloque un control numérico con la etiqueta “Set-Point ”, un cluster con tres controles numéricos con las etiquetas “ Ganancia proporcional  Kc”, “Tiempo integral Ti (min)” y “Tiempo derivativo Td (min)”, un control numérico con la etiqueta “T (s)”, un botón de paro y un gráfico de carta (chart) con la etiqueta “Control PID Difuso de una Planta”, como se muestra en la figura 20.8.

Figura 20.8: Control PID difuso de una planta.

20.5.1.2. En el diagrama de bloques utilice los instrumentos  PID.vi,  Fuzzy Controller.vi  y  Fuzzy Load.vi . Para introducir y extraer los datos mediante la tarjeta DAQ, utilice las librerías DAQmx. Salve este instrumento virtual con

tarjeta DAQ, utilice las librerías DAQmx. Salve este instrumento virtual con el nombre de Control Difuso de una Planta.vi. 141

 

Práctica 20________________________________________________________________

Figura 20.9: Editor de reglas difusas. Toolseditar Fuzzy Logic Controller difuso Designabra 20.5.1.3. Delnuevo. menú Para  elija lalosopción  y abra un archivo parámetros del controlador la opción Edit  y   y seleccione Set-Editor , con lo que se abrirá la ventana Fuzzy-Set Editor , mostrada en la figura figura 20.9, en en donde debe definirse el número de conjuntos difusos para las entradas y para las salidas, así como las características de cada uno de dichos conjuntos. Salve el archivo de las reglas difusas como Reglas.fc. 20.5.1.4. Con la finalidad de verificar el adecuado desempeño del sistema de control difuso, haga las primeras pruebas sobre un sistema de primer orden RC   con constante de tiempo entre 1 y 5s. 20.5.2. Control PID difuso de una planta

20.5.2.1. Arme un lazo delacontrol la planta física elegida ejecute instrumento virtual, utilice mismacon planta de la práctica No. 18.yPara que el el sistema presente una respuesta rápida y estable, sintonice el controlador PID. ¿Qué cambios observa en la respuesta del sistema con controlador PID difuso con respecto al mismo sistema con controlador PID  convencional? ¿Qué cambios se dieron en el valor de las constantes del controlador PID difuso con respecto a las constantes del controlador PID convencional?

20.6. Sugerencias didácticas 20.6.1. Previamente a la sesión de laboratorio, el alumno debe leer el guión de la práctica, con la finalidad finalidad de que investigue investigue y re repase pase los conceptos básicos básicos

de los sistemas de control con lógica difusa, el diseño de las reglas difusas, así como el manejo del toolbox Fuzzy Logic Controller Design de LabVIEW .  142

 

Práctica 20________________________________________________________________

20.6.2. Conviene que en una clase previa a la práctica, el profesor aclare cualquier duda que se les presente a los alumnos sobre el guión de la práctica. 20.6.3. Para el desarrollo de las prácticas es conveniente formar tantos equipos de trabajo como lo permita la disponibilidad de equipo en el laboratorio. Preferiblemente, cada equipo se conformará de 3 miembros (mínimo 2, máximo 4), desempeñando cada uno, alguno de los siguientes roles o funciones en orden a favorecer la interdependencia positiva: “Calculador”, “Operador”  y “Representante”. Si hay más de 3 miembros por equipo, habrá 2 operadores, si hay menos de 3 miembros, calculador y representante serán el mismo. 20.6.4. Es pertinente que el profesor proporcione asesoría y supervisión constante sobre el manejo y riesgos del equipo y material empleados, será necesario hacer hincapié en que puede resultar en daño para la tarjeta DAQ si se tocan sus terminales, por lo que se hace necesario usar una pulsera antiestática al momento de hacer conexiones y al momento de desconectar. 20.6.5. Es ampliamente recomendable la realización de una dinámica grupal de evaluación y discusión de experiencias entre los distintos equipos, en una clase posterior a la ejecución de la práctica.

20.7. Reporte del alumno 20.7.1. Desarrolla un reporte con el contenido siguiente: 20.7.1.1. Elaborar la portada de acuerdo al archivo “Portada”  20.7.1.2. Estructuración del reporte  Introducción.- En no más de un cuarto de página describe con tus propias  palabras cual fue fue el objetivo de la pr práctica áctica que realizaste, así como un resumen resumen del informe.  Marco Teórico.- En no más de una página, escribe con tus t us propias palabras los

conceptos esenciales que dan fundamento a esta práctica, así como sus relaciones más importantes.  Desarrollo de la práctica.- Describe en forma breve y en secuencia las etapas que componen la práctica, especificando en cada una de ellas el equipo, materiales, fórmulas, tiempo empleado, etc. y todos los parámetros que se consideren relevantes.  Resultados.- Presenta en forma concisa los resultados en forma de reporte, gráficas, tablas o la forma en que el profesor lo indique. También indica los  problemas que se hubiesen presentado durante el desarrollo de la experiencia. Asimismoo incluye un análisis breve de los Asimism lo s resultados. Conclusiones

. Emite juicios y conclusiones acerca de los resultados, el objetivo establecido y los beneficios que el trabajo práctico te ha  proporcionado.  proporcionad o. Puedes hacer recomendaciones recomendaciones tanto sobre el equipo como 143

 

Práctica 20________________________________________________________________

sobre las técnicas utilizadas para el desarrollo de la práctica. También es importante mencionar brevemente las competencias adquiridas. adquiridas.  Bibliografía.- Enlista las referencias bibliográficas que consultaste, bajo el siguiente formato: Libros; título, autores, editorial, año, número de las páginas consultadas. Artículo; nombre del artículo, autor, publicación, año.  Anexos.- Si se considera relevante, incluir anexos de tablas, formatos, dibujos dibujos,,  planos, diagramas, diagramas, fotografías, fotografías, etc.

20.8. Bibliografía preliminar “PID Control Toolset User Manual” ,

National Instruments, November 2001

Edition. “Sistemas de Control en Tiempo Discreto” ,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall,

Segunda Edición, 1997. “Ingeniería de Control Moderna”,  Katsuhiko

Ogata, Prentice Hall, Segunda

Edición, “Digital 1997. Control of Dynamics Systems” ,  Franklin, Powell, Prentice Hall, Edition 1997. “Digital Control System Analysis and Design”  Charles L. Phillips, H. Troy  Nagle, Prentice Hall Hall International, International, Inc., 4th Edition, Edition, 2007. “Learning with LabVIEW 2009”,  Robert H. Bishop, Prentice Hall, 2010, Kindle Edition. “LabVIEW, Advanced Programming Techniques” , Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki, CRC PRESS, 2001. “LabVIEW Signal Processing”, Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samant, Michael Serna, Prentice Hall, 1998. “LabVIEW, Entorno Gráfico de Programación”, José Rafael Lajara Vizcaíno,

José Pelegrí Sebastiá, Alfaomega Marcombo, 2007.

“LabVIEW 7.1, Programación Gráfica para el Control de Instrumentación” ,

Antoni Mánuel Lázaro, Joaquín del Río Fernández, Thomson, 2005.

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