Sistema control posición lazo cerrado

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Sistemas de control automático. Guía 1
Facultad: Ingeniería.
Escuela: Electrónica.
Asignatura: Sistemas Control Automático.
Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio
3, 2da planta).
Elementos de un Sistema de Control Automático.
Objetivo general
• Vincular las partes que conforman un sistema de control automático concreto con los diferentes
bloques que forman el digrama genérico que se describe en los textos referidos a este tema.
Objetivos específicos
• Identificar cada una de las partes que conforman un sistema de control de posición en lazo
cerrado.
• Observar la operación (por separado) de cada una de las partes que conforman el sistema de
control de posición en lazo cerrado.
• Implementar el sistema de control de posición en lazo cerrado.
• Observar la operación completa del sistema de control de posición en lazo cerrado, haciendo
énfasis en la capacidad del sistema para corregir problemas causados por disturbios externos.
Materiales y equipo
• 1 Unidad PU-2000 con PU-2200.
• 1 Placa DEGEM EB-116.
• 1 Par de cables para el multímetro.
• 9 Cables conectores para el módulo PU-2000.
Introducción Teórica
La particularidad que caracteriza a un buen sistema de control automático es la capacidad de “auto-gobernarse”,
ésta puede entenderse como la característica que permite a un sistema, una vez puesto en
operación y entre varias cosas, corregir en forma dinámica variaciones de sus parámetros de
funcionamiento en un rango aceptable de desviaciones. Esto se logra porque los sistemas de control
automático operan utilizando retroalimentación (feedback). La idea es que el sistema monitoree
constantemente la señal de salida y la comparé con una señal de referencia, si no son iguales se genera
una señal de error y a partir de ésta el sistema actúa intentando corregir la discrepancia.

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Buen ejemplo de “auto-gobernarse” es el control de temperatura de plancha de ropa común.
El aspecto externo de una plancha se muestra en la Figura 1a. En la Figura 1c se observan un esquema
simplificado de las partes que la conforman:
• Un elemento calefactor (espiral de caldeo), generalmente un resistor de potencia, este es el
elemento que será controlado. En la terminología de control automático se le llama en general “la
Planta”.
(a) Aspecto externo (b) Diagrama de bloques
(c) Sistema calefactor activo (d) Sistema calefactor inactivo
Figura 1 Control de temperatura de una plancha común.
• Una tira bimetálica formada por dos piezas de metales diferentes los cuales se expanden al
aumentar la temperatura, pero en proporciones diferentes. El efecto anterior se usa para controlar
(permitir o bloquear) el paso de la corriente sobre el elemento calefactor.
• Un tornillo (prefijador) que permite ajustar (calibrar) la temperatura a la que se desea operar la
plancha y que a la larga incidirá el punto de referencia de la acción de conexión/desconexión de
la tira bimetálica.

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La operación inicia cuando el usuario, por medio del tornillo calibra a que temperatura desea planchar
(temperatura de referencia). A partir de ahí la corriente comienza a circular por el elemento calefactor
generando un incremento de temperatura, que luego de un tiempo determinado hará llegar la superficie
de contacto a la temperatura prefijada al inicio del proceso (Figura 1c).
Si la situación se mantiene así el elemento calefactor continuará calentando hasta (posiblemente) dañar el
equipo. Es aquí donde el sistema de control interviene al “darse cuenta” que se ha sobrepasado el valor
de referencia procede a desconectar el elemento calefactor. El “darse cuenta” sucede porque la
temperatura es comparada (por la tira bimetálica) con un valor de referencia fijado en forma indirecta por
el tornillo prefijador, lo que se muestra en la Figura 1d.
Lo anterior causará, luego de un tiempo determinado, un descenso en la temperatura de la superficie de
contacto.
Nuevamente el sistema de control interviene al “darse cuenta” que la temperatura ha descendido bajo un
valor mínimo, procediendo a conectar nuevamente el elemento el elemento calefactor. De aquí en
adelante el proceso se repite en forma cíclica.
Una representación un poco más abstracta del sistema se muestra en la Figura 1b, en la que las diferentes
partes se representan mediante “bloques funcionales”, una práctica muy común en el campo del Control
Automático (la nomenclatura empleada en la Figura 1b no es la más difundida pero es válida para el
ejemplo).
Se puede identificar:
• Bloque “S”: como la planta (el elemento calefactor) cuya salida es la variable que es controlada
“W” (en este caso particular la temperatura).
• Un elemento que compara la variable controlada “W” con la variable de referencia “X” (la
temperatura de referencia fijada por el tornillo) y genera la señal de error “Xw”. Hay que hacer
notar que muchas veces no se compara directamente la variable controlada sino que se
previamente se realiza una conversión usando sensores (trasductores) de señal.
• Un elemento de control “R”, llamado en general “el controlador” que indica la acción a tomar,
para este ejemplo la conexión/desconexión del elemento calefactor.
• Un “actuador” o elemento de ajuste, que ejecuta directamente la acción ordenada por el
controlador, para este ejemplo es un interruptor.
En la Figura 2 se muestran diferentes diagramas de bloque. La Figura 2a es un diagrama típico en los

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textos del tema y se caracteriza por su gran nivel de simplificación y trata de resaltar el hecho de poseer
retroalimentación. En él se detallan los elementos principales del sistema: la planta, el controlador, el
detector de error y el sensor. No muestra muchos elementos de que son necesarios para que un equipo
real trabaje adecuadamente.
En la Figura 2b se han hecho explícita la presencia del actuador, en la práctica el controlador,
propiamente dicho, no posee las características (voltaje, corriente, impedancia) necesarias para operar
directamente a la planta y por eso se hace necesaria la existencia de un “driver”.
En la Figura 2c se muestra que muchas veces las señales que entrega el sensor no tiene las características
para ser comparada con la señal de referencia y necesita alguna transformación previa en el caso de la
figura una amplificación.
Es importante hacer notar que en los sistemas reales muchas veces algunas de estas funciones
están contenidos dentro de un mismo bloque y por tanto no se pueden separar en forma física,
pero si de forma analítica. Podría suceder que el controlador tenga integrado al detector de error
o que el actuador del sistema se encuentre integrado en el controladora también podría suceder
que la planta posea su propio driver o sus propios sensores.
(a) Diagrama de bloques
típico, en el que el
controlador y el detector de
error se encuentran
integrados.

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(b) Diagrama de bloques
en el que se hace explícita
la presencia del elemento
actuador que maneja a la
planta.
(c) Diagrama de bloques
que muestra un
amplificador para
incrementar la señal que
entrega el sensor. Note
que el actuador y la
planta están integrados.
Figura 2. Diagrama de bloque de un sistema de control automático.
En esta práctica utilizará diferentes circuitos electrónicos para controlar la posición de
un motor paso a paso, es importante que se concentre en la operación de los diferentes
elementos del sistema como bloques, sin prestar demasiada atención a los detalles
tecnológicos.
PARTE I: IDENTIFICACIÓN DE PARTES.
1. Ayudándose de la Figura 3 ubique, en la placa EB-116, las diferentes partes que se listan en la
Tabla 1. Una vez ubicadas complete la lista de chequeo.
STEPPER MOTOR U5 DIGITAL COMP.
ABSOLUTE ENCODER S1 DIGITAL POSITION REFERENCE
U1 STEPPER CONTROLLER BUFFER #1
16 STEP ABSOLUTE ENCODER U6 D/A
U2 GRAY TO BINARY DECODER ABSOLUTE ANALOG COMPARATOR
BUFFER & DISPLAY ANALOG POS.REF.
G1 (COMPUERTA NOR)
Tabla 1. Lista de chequeo.
Procedimiento

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Figura 3. Esquema de la placa EB-116
2. Encienda el PU-2000 y ajuste el GENERADOS DE SEÑALES del PU-2200 a una frecuencia de
aproximadamente 1 Hz.
3. Apague el PU-2000.
4. Coloque la placa EB-116 en los bastidores del PU-2000 y déjela firmemente sujetada al conector
5. Realice las siguientes conexiones en el controlador de motor paso:
· Entrada CW/CCW a GND de la placa EB-116.
· Entrada STEP H/F a GND de la placa EB-116.
· Entrada EXT. CLK (compuerta NOR) a la salida TTL OUT del PU-2200.

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6. Encienda el PU-2000 y describa la operación del sistema.
___________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
7. Cambie la entrada CW/CCW a +5V ¿qué pasó?
___________________________________________________________________________________
8. Incremente momentáneamente la frecuencia de la señal TTL OUT ¿qué ocurrió?
___________________________________________________________________________________
9. Retire el cable que conecta a EXT. CLK. con TTL OUT y el de CW/CCW.
¿Qué acciones controlan las entradas CW/CCW y EXT. CLK.?
___________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
10. Conecte las salidas del DECODIFICADOR DE GRAY A BINARIO (O3, O2, O1 y O0) a las
respectivas entradas del BUFFER & DISPLAY (I3, I2, I1, I0).
11. Gire lentamente una vuelta completa la rueda dentada del codificador mientras observa las
salidas del BUFFER & DISPLAY 23, 22, 21 y 20 ¿Qué observa?
___________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
12. Gire la rueda dentada de manera que la posición indicada como 0° se ubique a las tres en punto.
NOTA: Todas las salidas de los leds deberían estar apagadas.
13. Gire lentamente la rueda dentada en el sentido de las manecillas del reloj justo hasta lograr que
se encienda la salida 20. ¿Qué ángulo ha girado la rueda dentada? _______________
14. Coloque el dato anterior en la Tabla 2, específicamente bajo el título “Angulo final”.
15. Continúe girando la rueda para completar las columnas “Ángulo inicial”y“Ángulo final” de la
Tabla 2.

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Valor decimal Codigo
binario
Angulo
inicial
Angulo
final
Voltaje de
salida del D/A (DAC)
0 0000 0.0°
1 0001
2 0010
3 0011
4 0100
5 0101
6 0110
7 0111
8 1000
9 1001
10 1010
11 1011
12 1100
13 1101
14 1110
15 1111
Tabla 2. Respuesta del encoder.
16. En base a lo anterior ¿Cual es la resolución promedio del encoder? ____________
17. Asegúrese que los interruptores S1 (DIGITAL POSITION REFERENCE) están en posición baja (valor
0000 binario que corresponde a 0 decimal).
18. Gire la rueda dentada hasta que la posición indicada como 0º, se ubique a las tres en punto y
provoca que todas las salidas de los leds estén apagadas.
19. Usando el multímetro mida el voltaje en las tres salidas del comparador digital y anote sus
mediciones en la primera fila de la Tabla 3.
¿Cómo interpreta la información de estas salidas?
20. Brevemente escriba la interpretación en la primera fila de la Tabla 3.
21. Apague el PU-2000.
PARTE II: CONTROL DE POSICIÓN DIGITAL.
22. Realice los siguientes 4 conexiones.

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· Entrada CW/CCW a la salida A > B del comparador digital.
· Entrada STEP H/F a GND.
· Entrada EXT. CLK (compuerta NOR) a la salida TTL OUT del PU-2200.
· Entrada A =B (compuerta NOR) a la salida A = B del comparador digital.
N° Código
de
salida
de los
leds
Código de la
posición digital
de referencia A > B A = B A < B INTERPRETACION
1 0000 0000
2 0000 1000
3 1000 1100
4 1100 1000
5 1000 1000
Tabla 3. Respuesta del comparador digital.
23. Coloque los interruptores S1 en 0000 y desconecte momentáneamente la señal de TTL OUT.
24. Encienda el PU-2000 y gire la rueda dentada hasta que la posición indicada como 0º, se ubique a
las tres en punto.
25. Suba el interruptor A3 de S1 (1000) y mida el valor de las salidas del comparador digital (como lo
hizo en el paso 19) ¿cómo interpreta la información?
26. Brevemente escriba su interpretación en la segunda fila de la Tabla 3.
27. Reconecte la señal TTL OUT ¿qué ocurrió?
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
28. Apague el PU-2000 y desconecte TTL OUT.
29. Suba el interruptor A2 de S1 (1100) y encienda el PU-2000.
30. Asegúrese que en los leds se vea el dato 1000 sino es así mueva un poco la rueda dentada.
31. Mida las salidas del comparador digital ¿cómo interpreta la información?
32. Escriba la interpretación en la tercera fila de la Tabla 3.
33. Reconecte TTL OUT ¿qué ocurrió?__________________________________________________

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34. Apague el PU-2000 y desconecte TTL OUT.
35. Baje el interruptor A2 de S1 (1000) y encienda el PU-2000.
36. Asegurándose que en los leds se muestra el dato 1100 mida las salidas del comparador digital
¿cómo interpreta la información?
37. Escriba la interpretación en la cuarta fila de la Tabla 3.
38. Reconecte TTL OUT ¿qué ocurrió?
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
39. En base a lo observado describa la lógica del funcionamiento del control de posición digital.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
40. Pida a su docente de laboratorio que aplique una perturbación externa al encoder para que usted
pueda observar como reacciona el sistema. Describa sus observaciones.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
41. Apague el PU-2000 y desconecte las señales que salen del comparador digital y la señal de EXT.
CLK.
PARTE III: CONTROL DE POSICIÓN ANALÓGICO.
42. Ajuste el potenciómetro de la referencias de posición analógica totalmente en contra de las
manecillas del reloj (valor mínimo).
43. Conecte el multímetro para medir el voltaje de salida del potenciómetro de referencia (punto A).
44. Encienda el PU-2000.
45. Mida el valor de la señal de salida en las siguientes posiciones:
Mínima= __________V Media= __________ V Máxima= _________ V
46. Realice los siguientes ajustes:
• Las salidas del convertidor DECODIFICADOR DE GRAY A BINARIO ahora se conectarán
a BUFFER #1 E3, E2, E1 y E0 respectivamente (Note que las salidas del buffer van al D/A y
luego al comparador analógico).
• Salida A >= B del comparador analógico a la entrada CW/CCW.

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• Salida A = B del comparador analógico a la entrada A = B de la compuerta NOR.
• Ajuste el potenciómetro de la referencias de posición analógica totalmente en contra de
las manecillas del reloj.
• Coloque la rueda dentada en la posición de las tres en punto.
• Conecte el multímetro a la salida de convertidor de digital a analógico D/A (punto B)
47. Tomando como base la información que ya transcribió en la Tabla 2 mida el equivalente (en
voltaje) de las diferentes posiciones del encoder absoluto y así complete la Tabla 2.
48. Coloque la rueda dentada en la posición de las tres en punto y el potenciómetro de referencia de
posición en el punto medio.
49. Reconecte la señal de EXT.CLK al TTL OUT y describa brevemente lo que sucede.
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
50. Gire el potenciómetro de referencia a máximo y describa lo que sucede.
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
51. Regrese el potenciómetro al mínimo, desconecte y apague los equipos.
Análisis de Resultados
1. Tomando como referencia la Figura 2c y todos los elementos que utilizó para implementar el
control de posición digital dibuje un diagrama de bloques específico del sistema, indicando a que
parte genérica pertenecen.
2. Repita la actividad anterior, pero ahora sobre el sistema de control analógico.
Investigación Complementaria
1. Investigue desde la perspectiva del control clásico como se le llama al tipo de control que se
decribió en la introducción teórica de esta guía de laboratorio.
Bibliografía
• K. Ogata “Ingeniería de control modernas”.
• DEGEM SYSTEMS. “Curso EB-116. Controlde motor paso a paso” .
• GTZ. “Electrotecnia de potencia. Curso superior”.

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EVALUACION
Puesto No:
% 1-4 5-7 8-10 Nota
CONOCIMIENTO 25 Conocimiento deficiente
de los siguientes
fundamentos teóricos:
-Elementos que
componen un sistema
de control y su función.
Conocimiento y
explicación incompleta
de los fundamentos
teóricos.
Conocimiento completo
y explicación clara de
los fundamentos
teóricos.
APLICACIÓN DEL
CONOCIMIENTO
70 Cumple con uno o
ninguno de los
siguientes criterios:
-Identifica cada una de
las partes que
conforman un sistema
de control de posición
en lazo cerrado.
-Implementa el sistema
de control de posición
en lazo cerrado.
-Analiza como es que el
sistema es capaz de
corregir problemas
causados por disturbios
externos.
Cumple con dos de los
criterios.
Cumple con los tres
criterios.
ACTITUD 2.5 Es un observador
pasivo.
Participa ocasionalmente
o lo hace
constantemente pero sin
coordinarse con su
compañero.
Participa propositiva e
integralmente en toda la
práctica.
2.5 Es ordenado pero no
hace un uso adecuado
de los recursos.
Hace un uso adecuado
de lo recursos, respeta
las pautas de seguridad,
pero es desordenado.
Hace un manejo
responsable y adecuado
de los recursos conforme
a pautas de seguridad e
higiene.
TOTAL
Hoja de cotejo: 1
Guía 1: Elementos de un Sistema de Control Automático.
Alumno:
Docente: GL: Fecha:

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