Practica Laboratorio Tacometro

SERVO SISTEMA MODULAR FEEDBACK MS150 PLANTA DE VELOCIDAD Y POSICIÓN GUIA DE LABORATORIO El Servo Sistema Modular MS150, marca Feedback, es un equipo que permite realizar experimentos sobre control de velocidad de un motor y sobre control de posición. El equipo consta de los siguientes elementos: 1. Una base de madera con un recubrimiento metálico, sobre la cual se pueden colocar (sujetos mediante imanes) los módulos que componen el sistema 2. Módulo OU150A o OA150A: amplificador operacional 3. Módulo AU150B: atenuadores (potenciómetros) 4. Módulo PA150C: preamplificador 5. Módulo SA150D: servo-amplificador para el motor 6. Módulo PS150E: fuente de poder para el sistema 7. Módulo MT150F: motor y tacómetro (de DC) 8. Módulo IP150H: potenciómetro de entrada 9. Módulo OP150K: potenciómetro de salida 10. Módulo LU150L: carga mecánica (freno magnético) Cada experimento a realizar en el MS150 utiliza un determinado número de los módulos anteriores, interconectados mediante cables. El motor de corriente directa del MS150 es el elemento a controlar en este equipo. El motor  puede conectarse en dos formas, dependiendo de la forma en que se cablean ciertas conexiones que se encuentran en el módulo SA150D. Las dos formas son: Conectado para control por campo. El motor se comporta en forma análoga a un motor DC serie. Conectada para control por armadura. El motor se comporta en forma análoga a un motor DC shunt o paralelo. El comportamiento del motor depende del tipo de conexión que se tenga. 



RECOMENDACIONES: 1. Antes de encender la fuente de poder para cualquier experimento, asegúrese de que le circuito esté bien cableado. Revíselo. 2.  No deje que el motor gire a muy altas velocidades durante mucho rato, r ato, para evitar que  pueda dañarse. 3.  No permita que la corriente del motor sobrepase los 2 amperios en forma permanente, ya que puede quemar el motor. 1

4. Antes de encender la fuente, analice el circuito montado y trate de entender su funcionamiento. Así obtendrá un mejor provecho del mismo. 5.  NO ESCRIBA NI RAYE EN ESTA GUIA. Saque una fotocopia de la misma.  NOTA: Si usted realizó anteriormente prácticas con este equipo, puede utilizar los resultados obtenidos como datos para las siguientes prácticas. Si no es así, deberá realizar algunas de las prácticas que aparecen en el documento EXPERIMENTOS CON EL SERVO SISTEMA MODULAR MS150 (contenido en el archivo  Practicas con el MS150.doc), anexo a la  presente guía. En esta guía se menciona la utilización de un osciloscopio digital de memoria para obtener las gráficas del proceso. Si hay disponibilidad en el laboratorio, es preferible utilizar un computador equipado con una tarjeta de adquisición de datos para este propósito.

PRACTICA 1. CARACTERIZACIÓN DEL TACOMETRO 1. Arme el siguiente circuito, figura 1:

Figura 1. Circuito para Caracterización del Tacómetro 2. 3. 4. 5.

Colocar el potenciómetro de entrada en cero Poner el freno magnético en al posición de no carga (Completamente afuera). Colocar en ON el switch de encendido (ene l modulo PS 150E). Gire el potenciómetro de entrada (Control de Velocidad) hasta que el tacómetro genere un voltaje de 1 voltios. 6. Mida la velocidad del motor (en RPM) utilizando el estroboscopio. Asegure que el estroboscopio mida la frecuencia de giro correcta y no un múltiplo o submúltiplo de la misma.

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DATOS

VOLTIOS DE TACOGENERADOR (V) 0 1.002 2.0515 3.0527 3.9678 5.074 6.009 7.102 8.059 8.981 10.173 Tabla 1. Obtención de Datos

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VELOCIDAD DEL MOTOR (RPM) 0 388.15 803.41 1198.4 1569.5 1957.5 2407.6 2833.4 3118 3507.6 3955.3

7. Grafique los resultados así: Velocidad del Motor vs Voltios de tacogenerador.

VOLTIOS DE TACOGENERADOR (V) 12 10 8 6

VOLTIOS DE TACOGENERADOR (V)

4 2 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

8. Calcule la ganancia del tacogenerador, es decir, la relación Voltios / 1000 RPM

PRACTICA 2. Obtener el modelo del motor de DC. Ganancia del tacómetro: ______________ Voltios/1000 RPM 

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EL OBJETIVO DE LA PRÁCTICA ES OBTENER LA RESPUESTA A MALLA ABIERTA DEL MOTOR A UN CAMBIO BRUSCO EN EL SET-POINT Y GRAFICAR DICHA RESPUESTA.

1. Conecte el equipo para un control de velocidad a malla cerrada según se muestra en las figuras 2 y 3. ¿Qué elemento permite variar la referencia o set-point?: El elemento que permite variar la referencia o set point es el potenciómetro modulo AU 150B.

Figura 2. Modulo AU 150B: Potenciómetro de Entrada

2. Aplique tensión al sistema y compruebe que la velocidad del motor es controlada adecuadamente mediante el potenciómetro de control. NOTA: Recuerde que si el motor se desboca, eso significa que la realimentación del sistema de control es positiva. En este caso invierta las conexiones del tacómetro para obtener una realimentación negativa, como debe ser. Si no tiene claro este concepto, analice detenidamente el circuito de control. Pregunte al profesor en caso de dudas. 3. Baje la velocidad a cero y coloque el control de velocidad en malla abierta. Para ello, abra la conexión del tacómetro al amplificador. 4. Conecte un osciloscopio de memoria así: Un canal a la salida del módulo amplificador OU150A y otro canal en el tacómetro. (NOTA: Las puntas del osciloscopio atenúan 10) 5. Aumente la referencia de tal manera que el motor gire unos 1000 RPM (no es necesario ser exactos). Mida la tensión de referencia en este punto = V1. V1 = -7.65 con una Velocidad = 1040.3 rpm

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6. Aumente la referencia de tal manera que el motor gire unos 1500 RPM (no es necesario ser exactos). Mida la tensión de referencia en este punto = V2. V2 = -8.413 con una velocidad = 1481.3 rpm

7. Calcule un divisor de tensión de dos resistencias, R1 y R2, de tal manera que se genere  sobre la resistencia R2 un voltaje cercano a V2  –  V1. Vea la siguiente figura, a la izquierda. NOTA: Es más fácil utilizar un potenciómetro, como se muestra en la figura de la derecha. V2 –  V1 = -0.763 ≈ 0.8209 V2 –  V1

V2 –  V1

Vdc R1

Vdc

R2

R1

R2

8. Coloque nuevamente la referencia en la tensión V1. Aplique bruscamente en una de las entradas libres del amplificador OU150A el voltaje del divisor de tensión diseñado en el  punto anterior. La idea es producir un cambio brusco en el set-point para ver la respuesta en la velocidad del motor, es decir, obtener la curva de reacción del proceso. 9. Grafique la respuesta en la velocidad del motor, obtenida en el osciloscopio.

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10. Observe detenidamente la gráfica anterior. Según esta respuesta, deduzca a simple vista el orden del sistema (proceso de primer orden o de orden superior). El sistema es de: En la grafica anterior se observa una respuesta sobre amortiguada ya que no se ven picos ni sobre impulsos, por lo tanto de Primer Orden y estable. ¿Cree que el orden del motor (solo el motor) es el mismo del sistema?: El orden del motor es de primer orden debido a que solo tenemos un sistema en malla abierta sin control, el cual se excita con un escalón de magnitud variable. Por lo tanto la salida del sistema es igual a la del motor.

11. De la gráfica anterior, deduzca el modelo del motor. Busque el modelo que más se aproxime a la respuesta de la gráfica. (OJO EXPLICAR Q LAS PTAS AMPLIFICAN EN 10) 63% ≈

8.318

= 0.8318  =1.95seg 10 3.7356 28.3% ≈ =0.37356  =650mseg 10 3  = (   ) = 1.95 2  =    = 0 6

=

∆  () ∆ ()  ( ) =

=

665.8

0.5 1331.6

= 1331.6

1.95 + 1

12. Desconecte el divisor de tensión (o el potenciómetro). Coloque la velocidad base del motor de 3500 RPM y reconecte el divisor de tensión al sistema. Grafique la respuesta (obtiene la curva de reacción del proceso para una velocidad base de 3500 RPM).

13. Observe detenidamente la gráfica anterior. Según esta respuesta, deduzca a simple vista el orden del sistema (proceso de primer orden o de orden superior). El sistema es de: Se puede observar que el sistema es nuevamente un proceso sobre amortiguado, sin sobre impulsos ni oscilaciones antes de su estabilización, luego es un sistema de Primer Orden. ¿Cree que el orden del motor (solo el motor) es el mismo del sistema?: El orden del motor también de Primer Orden ya que es un sistema a malla abierta que s excita con un escalón de magnitud variable así: U(s)

1

Motor

R(s)

14. De la gráfica anterior, deduzca el modelo del motor. Busque el modelo que mas se aproxime a la respuesta de la gráfica.

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63% ≈ 7.34  =3.84seg 28.3% ≈ 3.34  =1.28seg 3  = (   ) = 3.84 2  =    = 0 ∆  () 114.7 = = = 301.84 ∆ () 0.38  ( ) =

301.84 3.84 + 1

15. Desconecte el divisor de tensión (o el potenciómetro). Vuelva a cerrar la malla de control (reconectando el tacómetro) y coloque la referencia para que la velocidad del motor sea  próxima a 1000 RPM. 16. Aplique bruscamente en una de las entradas libres del amplificador OU150A el voltaje del divisor de tensión. Grafique la respuesta del proceso.

17. Observe detenidamente la gráfica anterior. Según esta respuesta, deduzca a simple vista el orden del sistema (proceso de primer orden o de orden superior). El sistema es de: Es una respuesta sobre amortiguada, por lo tanto es de Primer Orden. ¿Cree que el orden del motor (solo el motor) es el mismo del sistema?: El orden del motor es el mismo…..?¿?¿

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18. De la gráfica anterior, deduzca el modelo del motor. Busque el modelo que mas se aproxime a la respuesta de la gráfica. 63% ≈ 2.772  =940mseg 28.3% ≈ 1.2452  =420mseg 3  = (   ) = 0.78 2  =    = 0.16 ∆  () 202.4 = = = 920 ∆ () 0.22 920 −. () = 0.78 + 1

19. Compare los dos modelos a malla abierta obtenidos anteriormente. Explique. Como se puede ver en los dos modelos hallados en malla abierta (1000 y 3500 rpm) el tiempo de estabilización es alto, debido a que la ubicación de sus polos esta muy cerca al eje imaginario

20. Compare el modelo a malla abierta con el modelo a malla cerrada (velocidad base de 1000 RPM) obtenidos anteriormente. Explique. Comparando los modelos tanto en malla abierta como en malla cerrada, se puede observar que al cerrar el lazo la ubicación del polo cambio ya que este se alejo del eje imaginario haciendo que el sistema responda mas rápido y tenga desde luego, un mejor tiempo de estabilización.

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PRACTICA 2. Observar el ajuste del controlador para el control de posición. El servo sistema de posición es un sistema que permite controlar la posición de un  potenciómetro (el de salida) según la posición de otro potenciómetro (el de entrada). Así, si el potenciómetro de entrada se hace girar unos 30 grados, se espera que el potenciómetro de salida gire ese mismo ángulo.  NOTA: observe que el potenciómetro de salida puede girar 360 grados mientras que el de entrada, no. La idea de la práctica es ajustar la ganancia del sistema de control para obtener una respuesta en el ángulo de salida con una razón de asentamiento de 1/4. 1. Arme el circuito de las figuras 3 y 4. 2. Sitúe el potenciómetro de realimentación ( FEEDBACK ) en cero y el de ganancia (GAIN ) en el punto medio de su recorrido. Coloque el potenciómetro de entrada en el punto medio de su recorrido. Analice el circuito y determine cómo funciona. ¿Qué función desempeña el potenciómetro de ganancia (GAIN)?: El potenciómetro GAIN es el que se desempeña como la ganancia, es decir es el que le da el valor a la parte proporcional del controlador.

¿Qué función desempeña el potenciómetro de realimentación ( FEEDBACK)? El potenciómetro FEEDBACK se encarga de regular la señal de voltaje del motor, y por lo tanto su velocidad. 10

3. Coloque el potenciómetro de ganancia en su posición media y el potenciómetro de realimentación en cero. 4. Luego de estar seguro de las conexiones realizadas, prenda el equipo. Si nota que el  potenciómetro de salida gira en forma continua (¿realimentación positiva en el sistema?), apague el equipo e invierta las conexiones del potenciómetro de salida o del de entrada. Analice lo sucedido. Si sigue teniendo problemas, pregunte al profesor. 5. Conecte un osciloscopio de memoria así: un canal en el centro del potenciómetro de entrada y el otro canal en el centro del potenciómetro de salida. 6. Coloque el potenciómetro de realimentación en cero. 7. Introduzca un disturbio en el potenciómetro de salida, apartándolo un poco con la mano, de su posición actual. Observe si no vuelve al reposo sino que oscila en forma permanente.  Ajuste el potenciómetro de ganancia al mínimo valor que hace que el potenciómetro de  salida oscile permanentemente. Anote la posición.

Posición del potenciómetro de ganancia: 5.25 Valor en ohmios: 0.32 ohmios 8. Ajuste ahora manualmente la ganancia de tal manera que la respuesta del potenciómetro de salida tenga una razón de asentamiento de 1/4. Para ello, haga manualmente un cambio  brusco en el potenciómetro de entrada y grafique la forma de la señal de salida. Este es un ajuste por ensayo o por tanteo. Anote la nueva posición del potenciómetro de ganancia.

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9. Relacione las dos posiciones del potenciómetro de ganancia, encontradas en los puntos 3 y 5. ¿ La relación encontrada se parece a la que se establece en el “método del último” de

Ziegler y Nichols, que dice: Kc = Ku/2 ? NOTA: se recomienda calcular la ganancia del “controlador” para ambas posiciones del potenciómetro de ganancia (o medirla).

10. Ajuste de nuevo la ganancia para que el sistema oscile en forma permanente ante un disturbio. Aumente lentamente la realimentación y observe el resultado. Ajuste de nuevo la ganancia para que el sistema oscile, y vuelva a incrementar la realimentación. El efecto del potenciómetro de realimentación es el de: Regular la realimentación de la velocidad para reducir la inercia del motor para que este no genere oscilaciones y estabilice más rápido Investigue en la literatura qué tipo de control se implementa en este circuito al realimentar la señal del tacómetro: La ley de control que se implementa en este circuito es un PD porque lo que se esta realimentando es la velocidad que es la derivada de la salida, que en este caso es la  posición del motor. Esta realimentación se conecta al controlador lo que brinda un menor transitorio al sistema y evita oscilaciones que se presentan antes de estabilizarse.

Resultados y Conclusiones Escriba sus conclusiones sobre la Práctica.

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