Instituto Tecnológico de Querétaro Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Guía de Prácticas de Laboratorio Materia: Instrumentación Laboratorio de Ingeniería Electrónica Santiago de Querétaro, Qro. Junio 2012 Elaboró M. C. Rodrigo Rodríguez Rubio Editoras Laura Angélica Maturano Solano Dulce María de Guadalupe Ventura Ovalle Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Av. Tecnológico S/N, Esq. M. Escobedo, Col. Centro, CP.76000 Tel: 2274400 ext. 4418
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Instituto Tecnológico de Querétaro
Departamento de Ingeniería
Eléctrica y Electrónica.
Guía de Prácticas de Laboratorio
Materia: Instrumentación
Laboratorio de Ingeniería Electrónica
Santiago de Querétaro, Qro. Junio 2012
Elaboró
M. C. Rodrigo Rodríguez Rubio
Editoras
Laura Angélica Maturano Solano
Dulce María de Guadalupe Ventura Ovalle
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Av. Tecnológico S/N, Esq. M. Escobedo, Col. Centro,
CP.76000 Tel: 2274400 ext. 4418
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CONTENIDO
PRÁCTICA No. 1 IDENTIFICACIÓN FÍSICA DE ELEMENTOS DE LA INSTRUMENTACIÓN
EN EL LABORATORIO .................................................................................................................... 4
1 OBJETIVO Obtener las características generales de los instrumentos de medición, tomando como
nuestros algunos aparatos que se utilizarán en prácticas posteriores.
Familiarizar al alumno con la terminología empleada en los procesos de medición y
también el manejo de los instructivos de los instrumentos.
2 INTRODUCCIÓN
Medir es una de las actividades primordiales para el ingeniero, consiste en comparar
cuantitativamente una magnitud de valor desconocido con una determinada unidad de
medida previamente establecida; esta operación se efectúa mediante un experimento físico.
El procedimiento de medición puede llevarse a cabo por comparación directa con un objeto
que contenga la unidad de medida ó, también, mediante un instrumento graduado
previamente con los instrumentos patrones correspondientes, de tal manera que una escala
indique el valor buscado.
En términos generales podemos considerar a un instrumento de medición como un
dispositivo que proporciona, al experimentar, información sobre una o más variables físicas
con mayor exactitud que el de los sentidos humanos. De ahí la importancia que tiene el
hecho de conocer, las características del equipo de medición, pues esto permite extraer el
máximo provecho de este equipo, así como lograr una aplicación adecuada en cada uno de
los procesos de medición que se presenten.
3 MARCO TEÓRICO
Definiciones de:
• Exactitud: es la cercanía del valor medido al valor real.
• Precisión: dispersión del conjunto de valores que se obtiene a partir de las
mediciones repetidas de una magnitud.
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PRÁCTICA No. 1
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• Rango: región entre los limites dentro de los cuales una cantidad es medida, recibida
o transmitida, expresada por rango de valores inferiores y superiores.
• Función: es el pasaje, a través de un dispositivo apropiado, de un conjunto dado de
estados iníciales de un sistema, al conjunto deseado de estados finales.
• Escala: ampliación o reducción necesaria en cada caso para que los objetos queden
claramente representados en el plano del dibujo.
• Sensibilidad: es la razón entre la respuesta en la salida a un estímulo en la entrada.
• Resolución-. es el incremento más pequeño que permite diferenciar una lectura de
otra.
4 EQUIPO Y MATERIALES
Tener 4 instrumentos diferentes de medición. (Incluir manuales o
instructivos de cada uno de los aparatos)
5 METODOLOGÍA
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.1 Dispondrá de cuatro instrumentos de medición diferentes, así como la
información idónea que el fabricante proporcione acerca del equipo, como son los
manuales ó instructivos de operación. 5.1.2 Tomará nota de los datos básicos de los instrumentos como lo son: Marca,
Modelo, Tipo.
5.1.3 Elaborará una lista que contenga los rangos y funciones de cada instrumento 5.1.4 Bosquejará un croquis de la parte frontal de cada instrumento explicando el uso
de cada perilla o terminal con que cuente el instrumento y si hay dudas se consultará al
profesor.
5.1.5 Hará un listado conteniendo las exactitudes de cada instrumento para cada rango
y función.
5.1.6 Especificará los anchos de banda para cada instrumento y las funciones que
requieren. 5.1.7 En los instrumentos de carátula, especificará la sensibilidad como relación de
desplazamiento lineal de la aguja en centímetros sobre magnitud de medida para cada
rango y función. En los digitales, junto con el instructor, comentará la manera de
determinar la sensibilidad.
5.1.8 Mencionar la resolución de cada instrumento, para cada función.
U Multivariable -- Multifunción Multifunción Multifunción
V Viscosidad -- -- Válvula --
W Peso -- Vaina -- --
X Sin clasificar -- Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar
Y Libre -- -- Relé convertidor --
Z Posición -- -- Elemento final
(sin clasificar)
Fig. 2.2
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PRÁCTICA No. 2
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Normativa para representar las conexiones a instrumentos
Los instrumentos deben ir conectados al proceso, a la fuente de suministro de energía, y
entre sí.
La norma ISA S5.1, establece cuáles son los símbolos estándar para las líneas de conexión
de los instrumentos. La Fig. 2.3 muestra las líneas de conexión de acuerdo a lo indicado en
el estándar anteriormente mencionado.
Fig. 2.3. Líneas de conexión de instrumentos.
Normativa para los símbolos de los instrumentos
Los instrumentos tienen símbolos generales y específicos. La Fig. 2.4 muestra los símbolos
generales de los instrumentos. El símbolo del instrumento va de acuerdo a la ubicación y a
la tecnología del mismo. Se aclara que la norma se refiere fundamentalmente a funciones
de instrumentación, más que instrumentos en sí.
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Fig. 2.4. Símbolos generales de las funciones de instrumentación.
Fig. 2.5
Las válvulas (cuerpo y actuador) disponen de símbolos específicos los cuales están
indicados en la norma ISA S5.1. Las Fig. 2.6 y Fig. 2.7 muestran los símbolos de los
cuerpos y los actuadores respectivamente.
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Fig. 2.6. Símbolos de cuerpos de válvulas.
Fig. 2.7 Símbolos de actuadores de válvulas.
4 EQUIPO Y MATERIALES
Diagrama de tuberías y proceso
5 METODOLOGÍA
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.1 Parte 1
5.1.1.1 Dibuje el símbolo y asigne el nombre correcto a los siguientes tipos de
instrumentos:
5.1.1.1.1 Elemento primario de medición de presión perteneciente al lazo 100.
5.1.1.1.2 Indicador y controlador de flujo con salida eléctrica, perteneciente a un
sistema de control distribuido (SCD).
5.1.1.1.3 Indicador de corriente eléctrica mostrado en panel.
5.1.1.1.4 Computador para cálculo de flujo acumulado (indicador y transmisor con
salida digital), montado en panel.
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5.1.2 Parte 2
5.1.2.1.1 Represente un:
5.1.2.1.1.1 Controlador de flujo.
5.1.2.1.1.2 . Punto de control fijo
5.1.2.1.1.3 Convertidor de frecuencia.
5.1.2.1.1.4 Elemento final de control.
5.1.3 Parte 3
5.1.3.1.1 Realice el diagrama de instrumentación y tuberías del proceso de la Fig. 2.7.
Indique los nombres y símbolos de los instrumentos que aparecen en los recuadros.
Coloque los símbolos adecuados de las líneas de señalización y control. Los
instrumentos son:
5.1.3.1.1.1.1 Válvula reguladora de flujo para control de temperatura.
5.1.3.1.1.1.2 Convertidor I/P.
5.1.3.1.1.1.3 Indicador y controlador de temperatura pertenecientes al SCD, y con
salida de 4 mA a 20 mA,
5.1.3.1.1.1.4 Transmisor de temperatura con salida de 4 mA a 20 mA.
5.1.3.1.1.1.5 Interruptor eléctrico de alta temperatura.
5.1.3.1.1.1.6 Alarma de alta temperatura perteneciente al SCD.
5.1.3.1.1.1.7 Lógica indeterminada de control (Programable).
Fig. 2.7. Diagrama de proceso.
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PRÁCTICA No. 2
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5.2 Diagramas o dibujo
5.3 Tablas
5.4 Precauciones y/o Notas
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PRÁCTICA No. 3
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PRÁCTICA No. 3. MEDICION DE VARIABLES FISICAS
CON LOS INSTRUMENTOS DEL LABORATORIO
No. DE ALUMNOS: 3 DURACIÓN DE LA PRÁCTICA: 1 Hora
1 OBJETIVO Familiarizar al alumno con el principio de funcionamiento y la operación del
osciloscopio.
Aplicar el osciloscopio para la determinación de parámetros de circuitos.
2 INTRODUCCIÓN
El osciloscopio de rayos catódicos es un instrumento rápido y versátil de gran aplicación en
el análisis de muchos fenómenos relacionados de circuitos eléctricos y electrónicos como
son la frecuencia, las tensiones, los desfasamientos, etc.
3 MARCO TEÓRICO
De hecho el ORC es un graficador que en aparatos modernos maneja los ejes X,Y y Z con
la ventaja que no contiene partes móviles, ya que el electrón trazador es un haz de
electrones que incide sobre la pantalla fluorescente, la cual retiene por algún tiempo la
imagen. Todos los circuitos del osciloscopio están dispuestos alrededor de un tubo de
rayos.
Este dispositivo consiste en un tubo de vacío dentro del cual existe un cátodo que mediante
un filamento calefactor, este alcanza una temperatura de emisión y libera electrones. La
rejilla controla el flujo de electrones y consiste en un cilindro con una abertura circular muy
pequeña que mantiene la corriente de electrones Si el trazo que aparece en la pantalla no
está en posición horizontal, puede ajustarse por medio del tornillo que para el efecto está en
el costado izquierdo del instrumento (empleando un desarmador no metálico). Si el trazo
que aparece en la pantalla no está en posición horizontal, puede ajustarse por medio del
tornillo que para el efecto está en el costado izquierdo del instrumento (empleando un
desarmador no metálico
4 EQUIPO Y MATERIALES
Osciloscopio
Desarmador no metálico
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PRÁCTICA No. 3
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5 METODOLOGÍA
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.1 En esta práctica se utilizará un osciloscopio. Este aparato es de gran confiabilidad
y al momento de encenderlo realiza un escaneo de los sistemas que lo componen y
después de esto ya se puede manipular, pero debe operarse con cuidado para evitar
daños al mismo ya que una operación inapropiada de los controles puede ocasionar
desde una aparente falla común hasta una des calibración total del mismo; debido a esto
es necesario que la operación se lleve a cabo junto con las indicaciones de su instructor y
del manual de operación del fabricante. 5.1.2 Arme un circuito, donde pueda obtener varios valores, dibuje la grafica obtenida y
analice la misma, sacando la relación de cada uno de los componentes que la conforman.
5.2 Diagramas o dibujo
5.3 Tablas
5.4 Precauciones y/o Notas
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PRÁCTICA No. 4
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PRÁCTICA No. 4 CALIBRACION DE INSTRUMENTOS DE
MEDICION
No. DE ALUMNOS: 3 DURACIÓN DE LA PRÁCTICA: 1 Hora
1 OBJETIVO
Poder calcular la sensibilidad, exactitud y precisión de algunos instrumentos de medición.
2 INTRODUCCIÓN
La necesidad que ha tenido el ser humano de resolver los problemas que ha enfrentado,
descubrir los secretos de la naturaleza y un enorme afán e vivir mejor, lo ha conducido a
acrecentar su conocimiento y comprensión de su entrono. De este modo, el ser humano ha
tenido acceso a l conocimiento verdadero, que es la ciencia.
Galileo hizo resallar la importancia de la medición en la experimentación para comprobar
los hechos y dar validez a los conocimientos adquiridos.
Así también, una de las tareas importantes del científico es la experimentación sistemática
mediante la medición y el análisis de resultados para formular conclusiones. La medición
permite verificar la veracidad o falsedad de un evento, de tal manera que es una parte
importante del desarrollo de la ciencia, pues permite desechar ideas falsas e ir modificando
teorías.
La física estudia las propiedades o atributos físicos de la materia, los cuales es preciso
medir para poder estudiarlos, además, es una ciencia exacta, ya que por medio de ella se
desarrollan teorías y leyes para pronosticar resultados en experimentos o fenómenos
semejantes.
3 MARCO TEÓRICO
Al realizar una medición es muy probable que el resultado no coincida con el valor real de
la magnitud, es decir, tal vez haya un error: puede ser un poco mayor o menor que la
medida real.
Los errores conducen a resultados aparentemente verdaderos, pero no pueden esperar
conclusiones provechosas.
Un experimento no está exento de errores por lo que es importante detectar la fuente de
error para considerar su magnitud y buscar evitarlos, corregirlos o disminuirlos.
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PRÁCTICA No. 4
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Los errores o desviaciones de las mediciones tal vez se deben a los malos hábitos,
descuidos o errores cometidos por el observador. También puede tener influencia el medio,
falta de calibración y defectos de los aparatos e instrumentos de medición.
La mayor precisión posible de una regla de acero se determina por el tamaño de la menor
graduación, que suele ser del orden de 0.01 in o de 0.1mm. Para una mayor posición el
mecánico sirve de un calibrador estándar micrométrico.
La elección de un instrumento de medición se determina por la precisión requerida y por las
condiciones físicas que rodean la medición. Una elección frecuente del mecánico o el
maquinista frecuentemente es la regla de acero, esta regla es por lo común bastante precisa
cuando se miden longitudes accesibles.
Para la medición de diámetros interiores y exteriores pueden usarse calibradores. El
calibrador mismo no puede ser leído directamente por lo que debe acoplársele una regla de
acero o un medidor estándar.
Precisión: determinación, exactitud Instrumentos de precisión, los muy minuciosos y de
gran exactitud.
Sensibilidad: es la facultad de percibir sensaciones, propiedad de las cosas que ceden
fácilmente, la sensibilidad de un instrumento se determina por su exactitud.
Exactitud: regularidad, veracidad y precisión en algo en este caso de las mediciones
4 EQUIPO Y MATERIALES
Regla
Metro
Vernier
Probeta de 250 ml.
Probeta de 25 ml.
Probeta de 10 ml.
Termómetro (3)
5 METODOLOGÍA
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.1 Medir la longitud de la escala de las tres probetas (250 ml, 25 ml, 10 ml), con
la regla, el metro y el vernier. Anotar resultados. 5.1.2 Medir el diámetro interno de las probetas con el vernier. Anotar lo resultado. 5.1.3 Hacer el cálculo de la sensibilidad, exactitud. 5.1.4 TERMÓMETROS
5.1.4.1 Observar con detenimiento el juego de termómetros. 5.1.4.2 Registrar la temperatura de cada uno de los termómetros. 5.1.4.3 Unificar las temperaturas a Celsius
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PRÁCTICA No. 4
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5.1.4.4 Determinar sobre la base de las lecturas de temperaturas que termómetro es el
de mayor precisión 5.2 Diagramas o dibujo
5.3 Tablas
5.4 Precauciones y/o Notas
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PRÁCTICA No. 5
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PRÁCTICA No. 5 COMPROBACIÓN FÍSICA DE LA
CARACTERIZACION DE LOS INSTRUMENTOS
No. DE ALUMNOS: 3 DURACIÓN DE LA PRÁCTICA: 1 Hora
1 OBJETIVO
En este apartado se va a tratar la forma de caracterizar el comportamiento de un sensor o
instrumento de medida como caja negra, esto es, a través del análisis de las respuestas que
ofrece a un determinado conjunto de estímulos de entrada y sin que se utilice la
información de su estructura y diseño interno.
2 INTRODUCCIÓN
Consideramos una hipótesis determinista, esto es, que la respuesta del sistema de
instrumentación a una misma entrada es siempre la misma. La caracterización se realiza de
forma independiente bajo dos situaciones: comportamiento estático y comportamiento
dinámico
3 MARCO TEÓRICO
• Comportamiento estático: Un sistema opera en régimen estático, si la variable
que se mide permanece constante en el tiempo, o cuando en cada medida se espera para
medir la salida un tiempo suficiente para que la respuesta haya alcanzado el valor final o
régimen permanente. El régimen estático es útil para caracterizar el comportamiento del
sistema de instrumentación cuando la magnitud que se mide varia con un espectro
frecuencial que sólo contiene componentes inferiores a la anchura de banda del equipo
de medida. Los principales parámetros que se utilizan para caracterizar el
comportamiento estático de un instrumento son:
o Parámetros que caracterizan los límites de medida: rango de medida, fondo de
escala.
o Curva de transferencia estática
o Linealidad
o Umbral
o Estabilidad
o Zona muerta
o Histérisis
o Calibración
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PRÁCTICA No. 5
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• Comportamiento dinámico: El comportamiento dinámico de un instrumento
caracteriza la dependencia que tiene la respuesta que se obtiene de él de la velocidad con
la que la magnitud que se mide está cambiando.
La caracterización dinámica completa de un sistema lineal se realiza por su diagrama de
respuesta frecuencial o diagrama de Bode. Sin embargo, no es habitual utilizar un
instrumento como filtro frecuencial, por lo que su caracterización suele ser más sencilla,
solo se necesita caracterizar el rango de frecuencias en el que puede operar con una
precisión determinada.
El parámetro de caracterización dinámica más frecuente es:
o La anchura de banda
4 EQUIPO Y MATERIALES
Multímetro
Osciloscopio
Fuente digital
Amplificador operacional TL084
Resistencias de
Capacitores
Protoboard
Conectores
5 METODOLOGÍA
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.1 Arme un circuito con el material antes mencionado donde se pueda
comprobar el correcto funcionamiento de un filtro pasa bajas como pasa altas. Analice
cada una de las respuestas, observe el comportamiento de cada una en el osciloscopio y
compare los resultados.
5.2 Diagramas o dibujo
5.3 Tablas
5.4 Precauciones y/o Notas
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PRÁCTICA No. 6
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PRÁCTICA No. 6 SINTONIZACIÓN DE UN
CONTROLADOR EN UN PROCESO
No. DE ALUMNOS: 3 DURACIÓN DE LA PRÁCTICA: 1 Hora
1 OBJETIVO En la presente práctica se obtendrán las gráficas en el osciloscopio de un sistema con y sin
retroalimentación mediante amplificadores operacionales.
2 INTRODUCCIÓN
Entre las formas de modelar un sistema matemáticamente se encuentra la de describir al
sistema mediante la representación de variables de estado. Buscar un modelo matemático es
encontrar una relación matemática entre las salidas y las entradas del sistema. En particular
la representación interna (representación por variables de estado) relacionarán
matemáticamente las salidas con las entradas a través de las variables de estado como paso
intermedio.
3 MARCO TEÓRICO
Sistemas continuos
La forma más general de representación por variable de estado de un sistema contínuo está
dada por dos ecuaciones: la primera que define los cambios de las variables de estado en
función de estas mismas variables, las entradas y el tiempo; y la segunda que define la
salida en función de las variables de estado, las entradas y el tiempo. Así tenemos:
Donde [6.a] es una ecuación de estado y [6.b] es una ecuación de salida.
Aquí consideramos que 𝑥, 𝑦 y 𝑢 son vectores (columnas) de 𝑛, 𝑝 y 𝑚 componentes
respectivamente. Esta forma de representación es válida para los sistemas continuos no-
lineales y variantes en el tiempo en forma general.
𝑥(𝑡) = 𝑓(𝑥(𝑡), 𝑢(𝑡), 𝑡) [6.a]
𝑦(𝑡) = 𝑔(𝑥(𝑡), 𝑢(𝑡), 𝑡) [6.b]
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Si el sistema es invariante en el tiempo, las funciones 𝑓 y 𝑔 dejan de depender
explícitamente del tiempo:
Si el sistema representado por las ecuaciones [6.a] y [6.b], es un sistema lineal, la
dependencia de x e y, pasa a ser lineal:
Donde
• A es una matriz de nxn
• B es una matriz de nxm (n filas x m columnas)
• C es una matriz de pxn
• D una matriz de pxm, que pueden ser dependientes del tiempo.
Si además de lineal, el sistema es invariante en el tiempo, las matrices A, B, C y D dejan de
depender del tiempo:
En general la dimensión de los vectores u e y puede ser cualquiera. Si en particular ambos
se reducen a un escalar (p = m = 1) el sistema se denomina SISO (single-input single-
output). En el caso que ambas dimensiones fuesen mayores a la unidad, el sistema se
denomina MIMO (multiple-input multiple-output).
Sistemas propios y estrictamente propios
Para un sistema SISO, que sea lineal, la relación entre la entrada y la salida puede
describirse mediante una ecuación diferencial ordinaria, de la siguiente forma:
𝑥(𝑡) = 𝑓(𝑥(𝑡), 𝑢(𝑡)) [6.c]
𝑦(𝑡) = 𝑔(𝑥(𝑡), 𝑢(𝑡)) [6.d]
𝑥(𝑡) = 𝐴(𝑡) ∙ 𝑥(𝑡) + 𝐵(𝑡) ∙ 𝑢(𝑡) [6.e]
𝑦(𝑡) = 𝐶(𝑡) ∙ 𝑥(𝑡) + 𝐷(𝑡) ∙ 𝑢(𝑡) [6.f]
𝑥(𝑡) = 𝐴 ∙ 𝑥(𝑡) + 𝐵 ∙ 𝑢(𝑡) [6.g]
𝑦(𝑡) = 𝐶 ∙ 𝑥(𝑡) + 𝐷 ∙ 𝑢(𝑡) [6.h]
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Donde
• 𝑦(𝑟) es la derivada temporal r-ésima de la salida y con respecto al tiempo.
• 𝑢(𝑞) es la derivada temporal q-ésima de la entrada u con respecto del tiempo.
En sistemas físicos reales se da siempre que r es mayor o igual que q. Si fuera lo contrario,
nunca se podría definir y en función de u pues no sería causal. A los sistemas en que r es
mayor o igual a q se los denomina propios. En el caso en que r es mayor que q (no cabe la
posibilidad de que sean iguales) se los denomina estrictamente propios.
Se puede demostrar que en los casos que el sistema es estrictamente propio, no existe
transmisión directa, y la matriz D se hace nula en esos casos (tanto en la ecuación [6.f]
como en la ecuación [6.h]).
Sistemas discretos
De igual manera, podemos describir en forma genérica a un sistema discreto por la
siguiente representación por variable de estado:
Donde [6.a] es una ecuación de estado y [6.b] es una ecuación de salida.
Donde
• k, k+1 representan los instantes consecutivos de las series de variables.
• x(k) es el vector de estados (discreto).
• u(k) es la serie del vector de entradas.
• y(k) es el vector de salida todos en el instante k. Estos vectores nuevamente son de
dimensión n, m y p respectivamente.
Esta forma de representación es válida para los sistemas discretos no-lineales e invariantes
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.1 Del sistema mostrado obtener el valor de los polos, ganancias y constantes. 5.1.2 Con base al valor de las ganancias y constantes de retroalimentación obtener el
valor de las resistencias necesarias para el sistema.
5.1.3 Amar el sistema con amplificadores operaciones.
5.1.4 Obtener en primera instancia la gráfica en el osciloscopio del sistema sin
retroalimentación. 5.1.5 Obtener la gráfica del circuito con retroalimentación.
5.1.6 Realizar la simulación del circuito en el SIMULINK. 5.1.7 Comparar las gráficas.
5.2 Diagramas o dibujo
5.3 Tablas
5.4 Precauciones y/o Notas
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PRÁCTICA No. 7
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PRÁCTICA No. 7 SIMULACION DE UN PROCESO
MEDIANTE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL
No. DE ALUMNOS: 3 DURACIÓN DE LA PRÁCTICA: 1 Hora
1 OBJETIVO
2 INTRODUCCIÓN
3 MARCO TEÓRICO
4 EQUIPO Y MATERIALES
5 METODOLOGÍA
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.1 Instrucciones
5.2 Diagramas o dibujo Fig. 7.1
5.3 Tablas
5.4 Precauciones y/o Notas
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PRÁCTICA No. 8
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PRÁCTICA No. 8. DISEÑO DE UN PROCESO EN EL QUE SE
APLIQUE LOS CONOCIMIENTOS ADQUIRIDOS
No. DE ALUMNOS: 3 DURACIÓN DE LA PRÁCTICA: 1 Hora
1. OBJETIVO Desarrollar un sistema de control PI para el control de la variable de velocidad de un motor
de c.d.
2. INTRODUCCIÓN
En esta práctica se desarrollo el control de un pequeño motor de c.d. controlado por un
control PI y con un PWM que sale de un micro controlador 16f877a y así haciendo la
retroalimentación del sistema.
3. MARCO TEÓRICO
Motor de corriente continua: es una máquina que convierte la energía eléctrica continua
en mecánica, provocando un movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas
aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con
algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como
motores lineales.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil
control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en
aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica
su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo
asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el
consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se
siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión
(máquinas, micro motores, etc.)
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la
velocidad desde vacío a plena carga.
Su principal inconveniente, el mantenimiento, muy caro y laborioso.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos
partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro
generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden
ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro.
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PRÁCTICA No. 8
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El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega
la corriente mediante dos escobillas.
Control
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación
que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener,
para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso. El algoritmo de cálculo del control
PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor
Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección
proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control
suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del
tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al
proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía
suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres variables en el algoritmo de
control del PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el
proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta
del control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de
oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo
del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o
dos modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser
llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas. Los
controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible
al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado
5.1 Pasos a seguir para la realización de la práctica
5.1.7 El ciclo del sistema de control comienza tomando el voltage del generador, el cual
es proporcional a la velocidad del motor que deseamos controlar. (Fig. 8.4) 5.1.8 Después adaptamos esta señal mediante un divisor de voltaje ajustado para que el
voltaje maximo sea de 5 V ya que utilizamos la DAQ para la adquisicion de datos hacia
la PC. 5.1.9 Aquí el controlador desarrollado en LABVIEW se va a encargar de hacer las
modificaciones que sean necesarias comparando la señal tomada del generador) y
comparándola con la referencia del programa, que viene a ser la velocidad a la que
deseamos que se mantenga el motor y que estableceremos nosotros. 5.1.10 Después este controlador nos entregara una señal de control, la cual se
transmitira mediante la DAQ. 5.1.11 Esta señal entrara a un PIC, este realizara una modulacion por ancho de pulso o
PWM que se enviara a una etapa de potencia para despues alimentar con esta señal al
motor de c.d. y asi controlar la velocidad del mismo. 5.1.12 LABVIEW
5.1.12.1 El programa comienza con la adquisición de datos de la DAQ, esta señal es
la proveniente del motor que utilizamos como generador para sensar la velocidad del
motor que deseamos controlar, en el DAQ assistant configuramos el numero de
muestras por ciclo a 10, después pasa por un convertidor de datos dinámicos a
numéricos para poder realizar un promedio mediante una sumatoria y después lo
dividimos entre el numero de muestras por ciclo (Fig. 8.5). 5.1.12.2 Después pasamos a lo que es el controlador PI, el cual lo realizamos
nosotros (sin usar el modulo PID de LABVIEW) ya que tuvimos un problema al
instalar el modulo PID. 5.1.12.3 Basándonos en la estructura de un PI:
𝑈(𝑡) = 𝐾𝑃 ∗ 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡
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INGENIERÍA ELÉCTRICA
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5.1.12.4 Siendo e(t) el error o la diferencia entre la temperatura deseada(referencia) y
la temperatura del sistema: 𝑒(𝑡) = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎 − 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
5.1.12.5 Por lo que primero hacemos la resta entre la referencia y la señal del sistema,
de ahí obtenemos nuestra señal de error la cual se va de forma paralela a 2
multiplicaciones que son nuestra 𝐾𝑃 y 𝐾𝑖 que son dos controles para estar modificando
su valor mientras está corriendo el programa, después de 𝐾𝑖 pasamos a integrar y para
finalizar nuestro PI sumamos estas 2 señales para obtener la estructura deseada. 5.1.12.6 Después procedemos a adaptar la señal para poder transmitirla a través de
una salida de la DAQ por la cual solo podemos enviar una señal de 0 V a 5 V, por lo
que tuvimos que hacer la siguiente adaptación: 5.1.12.7 Si nuestra señal de control sobrepasaba los 5 V la salida de la DAQ debe ser
máximo 5 V, y si nuestra señal de control fuese menor que “0” tendríamos que
establecer que nuestra señal de salida fuese 0 V, esto lo hicimos mediante la estructura
case. (Fig. 8.6) 5.1.12.8 Si nuestra señal de control era menor que 5 se activa el caso true que se
muestra en la imagen, en el cual había otra estructura case que nos evaluaba si la señal
de control era menor que cero, si esto era así entonces a la salida tendríamos siempre
un “0”. (Fig. 8.7) 5.1.12.9 En caso de que la señal de control fuera mayor que “0” se ejecuta el código
contenido en FALSE, el cual nos estaría entregando 5 V mientras la señal de control
fuera mayor o igual a 5. (Fig. 8.8) 5.1.12.10 Para el caso en el que la señal de control fuera menor que 5 y mayor que
“0” pasaría directamente al DAQ assistant ya que esta dentro del rango que nos
permite. 5.1.12.11 Después le agregamos algunos indicadores para visualizar la velocidad del
motor con respecto a la referencia y algunos otros parámetros como el error, la señal de
control, etc. y un control para estableces nuestra referencia. (Fig. 8.9) 5.1.13 PWM
5.1.13.1 La PWM se implemento con un PIC 16F877A. (Fig. 8.10 y Fig. 8.11) 5.1.13.2 //Programa para PWM 5.1.13.2.1 //Directivas 5.1.13.2.2 #include<16f877a.h 5.1.13.2.3 #device ADC= 5.1.13.2.4 #device *=16 5.1.13.2.5 #fuses 5.1.13.2.6 XT,NOWDT,PUT,NOPROTECT 5.1.13.2.7 #use delay(clock=4000000) 5.1.13.2.8 #use fast_io(A) 5.1.13.2.9 #use fast_io(B)
5.1.13.3 Etapa de potencia 5.1.13.3.1 En esta etapa de potencia se utilizo un circuito el cual nos ayudo a
encender alimentar al motor, para esto necesitamos un transistor tip141 5.1.13.3.2 El circuito funciona a raíz de la PWM que es retroalimentado en el pin
dos (set point), al salida del micro tenemos una señal PWM tuvimos el inconveniente
de que esta señal estaba al revés de cómo la necesitábamos y decidimos invertirla con
un transistor BC547
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5.1.13.3.3 Cuando se aplica 5 V en el set point el motor esta a su máxima potencia,
cuando se le aplica 0 V el motor debe estar girando a su mínimo de velocidad.