GUÍA DE LABORATORIO PARA LA PRÁCTICA DE...

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GUÍA DE LABORATORIO PARA LA PRÁCTICA DE SISTEMA DE

POSICIONAMIENTO NEUMÁTICO

Resumen: En esta guía de laboratorio se establece un procedimiento para el montaje y el accionamiento de los sistemas de posicionamiento servocontrolados neumáticos, con el fin de aprender detalles sobre el funcionamiento de las tarjetas PID y de los sensores de desplazamiento, además de poder registrar una curva característica de un sensor de desplazamiento. También se encuentran descritos los instrumentos que se utilizaran y el proceso para la programación de las tarjetas reguladoras PID y las memorias en la tarjeta

de consigna. Se recomienda verificar los elementos antes de utilizarlos, tener cuidado con el potenciómetro, el codificador de desplazamiento y los actuadores lineales y por ultimo

dejar los elementos limpios y en orden después de utilizarlos.

1. INTRODUCCIÓN 1.1. Sistema de medida

Un sistema de medida convierte una señal de entrada en una señal de salida diferente, que pueda

evaluarse más fácilmente. Este proceso se conoce como medición. La señal de entrada puede ser, por

ejemplo, una presión o una velocidad, mientras que la señal de salida puede ser una tensión o una intensidad.

Finalidad de un sistema de medida en un circuito de regulación de bucle cerrado. La final idad de un

sistema de medida en un circuito de regulación en bucle cerrado es:

Registrar la variable regulada Generar la variable de realimentación

En un circuito de regulación en bucle cerrado se precisa un sistema de medida en todos los casos en

los que se utiliza un regulador eléctrico. En los casos de circuitos de regulación en bucl e cerrado con

realimentación hidráulica o mecánica, la variable regulada generalmente actúa directamente sobre el

regulador. Esto significa que la función de medición del sistema se halla integrada en el regulador, y por lo tanto no se necesita un sistema de medida independiente.

1.2. Control PID

Es un mecanismo de control que permite regular, la temperatura, velocidad presión y flujo a través de

un lazo de retroalimentación, el algoritmo de control incluye tres parámetros fundamentales:



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Parámetro proporcional: este parámetro mide la diferencia entre el valor actual y el punto de

ajuste y aplica el cambio necesario.

Parámetro integral: es el tiempo que toma llevar a cabo una acción correctiva,

incrementando la exactitud del sistema y eliminando el error en un estado estacionario

Parámetro derivativo: emite una acción predictiva, este efecto de anticipación más

importantes, pero con defecto debido a que tiende a corregir antes de que la señal d e error sea desmedida.

Internamente en la tarjeta PID se lleva un proceso de regulación sobre el que actúan dos variables:

La variable de referencia w

La variable regulada x

1.2.1. Regulador PID. Un regulador PID combina las ventajas de los reguladores P, I y D. Un

regulador PID se distingue por tres variables características:

O bien por los coeficientes de la acción proporcional, integral y derivativa (KP, KI y KD)

O por la ganancia proporcional, el tiempo de acción derivativa y el tiempo de acción integral

(KP, Tv y Tn)

1.2.2. Calidad de una regulación. En un bucle cerrado de regulación, el regulador y el si stema

regulado se hallan en constante interacción. La interacción del regulador y del si stema

regulado se optimiza por medio del ajuste de los coeficientes del regulador. La cal idad

de la regulación describe la calidad del bucle cerrado. Para evaluar la calidad de la

regulación, se aprecia la respuesta transitoria de la variable regulada después de un

cambio en escalón en la variable de referencia. Se determina en detalle las siguientes

características:

Amplitud del desbordamiento o rebase xm

Desviación del sistema en estado estable estat

Tiempo de estabilización Ta

Se obtiene una buena respuesta en régimen transitorio cuando los valores de estos datos característicos son bajos.



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Figura 1 Características de la calidad de una regulación

1.2.3. Regulación de la tarjeta PID

Regulador I en la tarjeta reguladora. En la tarjeta reguladora se han previsto un interruptor

rotativo y un potenciómetro, para permitir ajustar el coeficiente de acción integral KI del

regulador I. El interruptor rotativo tiene valores escalonados de 0 a 100 mientras que el

potenciómetro tiene una regulación continua de 0 a 10. El producto de estos dos valores da el

coeficiente de acción integral. El tiempo de integración TI puede calcularse como el inverso

de este valor.

Regulador PI en la tarjeta reguladora. Un regulador PI puede crearse en la tarjeta reguladora

sumando las señales de salida de los reguladores P e I. La variable de corrección producida de

esta forma, está disponible en la salida de la tarjeta del regulador. El tiempo de acción

integral Tn es el cociente del coeficiente de acción proporcional y del coeficiente de acción

integral:

𝑇𝑛 =𝐾𝑃

𝐾𝐼



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Regulador PID en la tarjeta reguladora. Con el regulador PID, las tres señales de corrección de

la acción de los reguladores proporcional, integral y derivativo se reúnen en el punto sumador. Las señales se generan de forma similar a las del regulador PI o PD.

Los parámetros de los reguladores industriales PID pueden establecer de dos formas diferentes:

Ajuste de los coeficientes KP, KI y KD Ajuste del tiempo de acción integral Tn y del tiempo de acción derivativa Tv.

Ambos métodos tienen tanto ventajas como desventajas. En nuestro caso utilizaremos el primer

método para ajustar el regulador PID. Este método tiene la ventaja que sus efectos en los coeficientes pueden investigarse selectivamente.

1.2.4. Reguladores dinámicos y no dinámicos. Los reguladores se dividen en dos clases

diferentes:

1.2.4.1. Reguladores no dinámicos. La función de un regulador no dinámico puede

representarse por un diagrama de flujo de señales con dos cajas:

En el primer bloque, se calcula la diferencia entre variable de referencia y la variable

regulada. Este bloque es conocido como comparador.

En el segundo bloque, la desviación del sistema se utiliza para determinar la variable de

corrección. Este bloque forma el elemento de regulación en bucle cerrado.

1.2.4.2. Reguladores dinámicos. Los diagramas de flujo de la señal para los

reguladores P, I, PI, PD y PID constan de tres elementos:

Suma de las variables de referencia y regulada (comparador o punto de suma)

La función real del regulador (elemento de regulación en bucle cerrado)

Un limitador para la señal de corrección.

1.2.5. Programación de la tarjeta PID

Para la programación del regulador PID se puede realizar por medio de dos procedimientos: método

de Ziegler-Nichols o empíricamente.

1.2.5.1. Calculado según el método de Ziegler-Nichols:

El método Ziegler Nichols se divide en dos etapas:



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Establecimiento del límite de estabilidad del bucle cerrado de regulación incrementando e l

coeficiente Kp hasta que se produzca una oscilación del estado estable, produciendo el

coeficiente crítico 𝐾𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 y el tiempo de oscilación crítico 𝑇𝑐𝑟𝑖𝑡. Cálculo de los parámetros de regulación según fórmulas estándar:

Después de establecer los valores del coeficiente crítico y el tiempo de oscilación crítico, los

coeficientes óptimos de regulación para el regulador PID se hallan con las siguientes ecuaciones.

𝐾𝑝 = 0,6 × 𝐾𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 (1) 𝑇𝑛 = 0,5 × 𝑇𝑐𝑟𝑖𝑡 (2)

𝑇𝑣 = 0,12 × 𝑇𝑐𝑟𝑖𝑡 𝐾𝐼 =𝐾𝑃

𝑇𝑛

(3)

𝐾𝐷 = 𝐾𝑝 × 𝑇𝑣 (4)

1.2.5.2. Determinado empíricamente: el ajuste de un regulador PID requiere

experiencia. Por esto a continuación se describe un método muy probado en la

parametrización de reguladores PID que se utilizó para el correcto desarrollo del

proyecto, antes de utilizar este método se debió primero:

Montar el circuito de regulación

Comprobar el circuito

Conectar la alimentación eléctrica

Conectar el aire comprimido

Comprobar y ajustar el sentido de la regulación

Ajustar el selector de rango a (-10…+10v ó 0….10v) Ajustar el offset de la variable de corrección para compensar asimetrías

El método se muestra a continuación y se debe tener en cuenta que solo puede utilizarse en aquellos

casos en los que está emitido llevar el circuito de regulación en bucle cerrado a un estado de oscilación durante las operaciones de ajuste.



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Parametrización empírica de un regulador PID

Figura 2 Parametrización empírica

2. MATERIALES REQUERIDOS 2.1. Por el estudiante:

Hoja milimetrada

Marcador

2.2. Suministrados por el laboratorio:

Fuente de 24V

Incrementar el coeficiente de acción proporcional KP

¿Hay desbordamientos del estado estable?

Incrementar el coeficiente de acción derivativa KD

¿Pueden eliminarse los desbordamientos

en estado estable?

Incrementar el coeficiente de acción integral KI

¿Se elimina la desviación del sistema en estado estable con suficiente rapidez?

Fin

no

si

si

no

si

no



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Ilustración 1 Fuente de 24V

2 tarjetas PID

Ilustración 2 Tarjeta PID

Valor real diferencial

Alimentación 24V

Variable de corrección

Punto de consigna diferencial

Tierra de alimentación 0V

Potenciometro rotativo Interruptor rotativo



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2 entradas de señales eléctricas

Ilustración 3. Entrada de señal eléctrica

Pulsadores de contacto momentáneo

Pulsador con enclavamiento

Contactos normalmente abiertos

Contactos normalmente cerrados



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2 tarjetas de valor de punto de consigna

Ilustración 4 Tarjeta de valor de punto de consigna

Distribuidor de aire

Ilustración 5 Distribuidor de aire

Entradas binarias Señales de

consigna +/-

Conmutador de selección

Pantalla

Ajuste



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2 actuadores lineales de 200mm neumático

Ilustración 6 Actuador lineal 200mm neumático

2 válvulas proporcionales 5/3 vías

Ilustración 7 Válvula proporcional 5/3 vías

Cilindro actuador

Topes

Alimentación neumática

Corredera

Agujeros Ø6mm



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2 potenciómetros

Ilustración 8 Potenciómetro

Platinas

Ilustración 9 Platina actuado neumático

Agujeros 6mm

Señal negativa

Señal positiva



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3. OBJETIVOS 1. Conocer los detalles sobre el funcionamiento de un sensor de desplazamiento. 2. Registrar y evaluar una matriz de puntos característica de los sensores de desplazamiento.

4. PROCEDIMIENTO

4.1. Cada actuador cuenta con una regla graduada hasta 350mm que se debe ubicar en la parte

lateral del actuador y se ajusta con los agujeros roscados que se encuentran en las placas

finales. El cero de la regla debe coincidir con el inicio de la corredera.

Ilustración 10 Montaje regla en actuador neumático

Para el montaje de los sistemas primero se realizará el montaje de los actuadores neumáticos y se finalizará con las conexiones eléctricas.

4.2. Se ubica el primer actuador lineal neumático sobre el banco de manera horizontal y se

ajusta, luego se ubica la platina de aluminio de 10x10cm haciendo coincidir los dos agujeros de 6mm de la platina y el actuador. Este primer actuador se tomará como eje x.



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Ilustración 11 Montaje actuador neumático en el banco

4.3. Con el primer actuador y la platina instalados, se ubica el segundo actuador de manera

horizontal y se ajusta con los tornillos de 80mm por medio de los agujeros de 6mm que

tienen la platina y los dos actuadores en la corredera. Este segundo actuador se tomará como eje y.

Ilustración 12 Montaje completo de los actuadores neumáticos



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4.4. Se ubican el distribuidor, las dos válvulas proporcionales 5/3 vías, dos tarjetas PID, dos

tarjetas de valor de punto de consigna y 2 entradas de señales eléctrica en el banco para

hacer las conexiones neumáticas y eléctricas. 4.5. Se hace la conexión neumática como se muestra en el siguiente esquema.

Figura 3 Conexión neumática

La conexión eléctrica se realiza siguiendo el procedimiento descrito a continuación.

4.13. Primero, se debe asegurar la presencia de voltaje en todas las tarjetas (tarjeta PID,

tarjeta de consigna y los pulsadores), para esto se conecta la fuente al pulsador y a partir

del pulsador se puede establecer la conexión entre la tarjeta de consigna y la tarjeta PID. Todas las tarjetas deben tener una conexión de alimentación y una a tierra.



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Ilustración 13 Conexión de alimentación

4.14. Se debe asegurar que el error en la lectura de la tarjeta de consigna y el sensor sea 0,

para esto se establece la conexión que permite la entrada y la salida de voltaje de la tarjeta

y el sensor. Esta conexión es entre las señales de consigna de la tarjeta de valor de punto de consigna y el punto de consigna diferencial W de la tarjeta PID.



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Ilustración 14 Conexión entre la tarjeta de consigna y tarjeta PID

4.15. Se conecta la válvula reguladora a la tarjeta PID de la siguiente manera: la señal de

tensión se pone en contacto con la variable de corrección Y superior, el cable tierra de la

señal con la variable de corrección Y inferior y los cables de alimentación con su respectiva alimentación (0V y 24V).

Ilustración 15 Conexión válvula reguladora y tarjeta PID



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4.16. Se conecta el potenciómetro lineal a la tarjeta PID de la siguiente manera: la señal

positiva a la entrada de valor real diferencial X superior, los cable s de alimentación a su

respectiva alimentación (0V y 24V) y una conexión adicional entre la entrada de valor real diferencial X inferior y una alimentación tierra de la tarjeta PID.

Ilustración 16 Conexión del potenciómetro a la tarjeta PID

4.17. Para crear las memorias en la tarjeta de consigna, primero se debe configurar la

tarjeta PID asegurando que el cilindro tenga un movimiento estable usando los dos

métodos mencionados anteriormente.

4.18. Finalmente se conectan los pulsadores, para esto se establece la conexión entre los

contactos normalmente abiertos de las señales de entrada y las entradas binarias de la

tarjeta de consigna de tal manera que las entradas identificadas con el número 13 se

conecten a la alimentación de 24V y las entradas identificadas con el número 14 a las

entradas binarias de la señal de consigna, así el primer pulsador se vincula a I1, el segundo a

I2 y el tercero a I3.



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Ilustración 17 Conexión entre las señales de entrada y la tarjeta de consigna

(NOTA: Sabiendo que la conexión anterior permite hacer uso de los pulsadores para obtener unos valores de ajuste se debe tener en cuenta la siguiente tabla para los siguientes pasos)

Activación de valores de punto de ajuste

Valores de consigna I1 I2 I3

W1 0 0 0

W2 0 1 0

W3 0 0 1

W4 1 1 0

W5 0 0 1

W6 1 0 1

W7 0 1 1

W8 1 1 1 Tabla 1 Valores de punto de ajuste conmutado avanzado



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4.19. Con la perilla de selección se ubica el valor de punto de ajuste conmutado avanzado W1 y se le asignara un valor de voltaje, después se ubica en el valor W2 y se asigna otro voltaje, se realiza el mismo procedimiento hasta llegar a ocho valores diferentes.

Ilustración 18 Asignación de valores máx. y mín.

(NOTA: Para activar cada uno de los valores de punto de ajuste conmutado avanzado, se debe tener en cuenta la Tabla 1, donde se ve el código binario que funciona con cada uno de los ocho valores. Por ejemplo, para el valor W7 se tiene la combinación 011 y activara oprimiendo los pulsadores 2 y 3)



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Ilustración 19 Ejemplo activación de W7

5. RESULTADOS 5.13. Registrar los parámetros de regulación determinados inicialmente y hallar los

coeficientes óptimos de regulación con los dos métodos.

PARAMETRO DE REGULACIÓN VALOR

Kpcrit

Tcrit

Kp Tn

Tv Tabla 2 Determinar coeficientes óptimos para el actuador neumático



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PARAMETRO DE REGULACIÓN VALOR

Kpcrit

Tcrit

Kp

Tn Tv

Tabla 3 Determinar coeficientes óptimos para el actuador hidráulico

5.14. Identifique el área de trabajo estableciendo los valores máximos y mínimos de posición de los actuadores. Luego seleccione cuatro posiciones aleatorias, registre los valores obtenidos en la siguiente tabla y grafique. Los valores de posición se pueden obtener con la regla graduada que se instaló en el primer paso.

V1 (V) V2 (V) X (cm) Y (cm)

Tabla 4 Descripción curva de desplazamiento

5.15. Compare, analice y describa los resultados y gráficas obtenidas

6. RECOMENDACIONES

Verificar el estado de los elementos antes de utilizarlos.

Dejar los elementos utilizados en la práctica limpios y en completo orden.

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