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Prácticas de Regulación Automática

José Juan Quintana Hernández Ignacio de la Nuez Pestaña Fidel García del Pino Rodolfo Martín Hernández

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Practicas de regulación automática

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José Juan Quintana Hernández Ignacio de la Nuez Pestaña

Fidel García del Pino Rodolfo Martín Hernández

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No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni de su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma por cualquier medio, ya sea electrónico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del copyright.

Impreso en España. Printed in Spain

Autores:

José Juan Quintana Hernández Ignacio de la Nuez Pestaña Fidel García del Pino Rodolfo Martín Hernández

ISBN: 84-89528-97-7 Depósito Legal: G.C. / 25-2005

Introducción Práctica 1 El servomotor de corriente continua Práctica 2 Característica del freno del servomotor Práctica 3 El amplificador operacional Práctica 4 Generación de una señal de error Práctica 5 El amplificador operacional en configuración de ganancia variable. Práctica 6 El preamplificador Práctica 7 Control de velocidad de un motor de corriente continua Práctica 8 Control posicional Práctica 9 Control posicional con realimentación de velocidad Práctica 10 Respuesta de un sistema de control posicional

.. 1

..5 10 13 16 21 25 29 35 40 44

Este libro recopila la experiencia y trabajos realizados durante años por un grupo de profesores, que impartimos asignaturas relacionadas con la automática en las Escuelas de Ingeniería de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria.

Se pretende dotar al alumno y técnico en general, de una herramienta que junto con el material de laboratorio, le permita afianzar los conocimientos adquiridos durante las horas de clases teóricas. Este punto, entendemos es de particular importancia, habida cuenta del complejo aparato matemático necesario para el dominio de esta disciplina.

Un aprovechamiento adecuado de las prácticas requiere su realización por un grupo reducido (dos o tres alumnos). Este libro permite a los alumnos de una forma sencilla, desarrollar las prácticas contenidas en el mismo y obtener unos conocimientos básicos sobre un sistema de control y en particular sobre servosistemas.

Con este fin las prácticas se han organizado de la siguiente manera:

Objetivo: Se informa al alumno del fin que se pretende conseguir con la práctica. Teoría: Se explica la teoría relacionada y la forma de conseguir el objetivo. Material y equipo empleado: Re\ac\ór\ del material necesario para la realización de la práctica. Instrucciones para el alumno: Se dan las instrucciones necesarias para conectar

los equipos, una vez conectados se pide que se tomen datos en función de algunos parámetros y con estos que se realicen gráficas. Conclusiones: A la vista de los datos obtenidos en el apartado anterior, se formulan preguntas que ayudan a fijar los conceptos.

Por último, es justo reconocer que el esfuerzo realizado en la preparación del libro ha

sido llevadero gracias a la idea que nos animaba, y al buen quehacer de los propios

alumnos que año tras año realizaron las prácticas expuestas.

Vaya por tanto, nuestro agradecimiento a ellos, y a quienes va dedicado este trabajo,

con el convencimiento de que su esfuerzo redundará en el desarrollo y mejora de la

tecnología que utilizaremos en el futuro, en beneficio de todos.

Prácticas de regulación automática 1

Introducción

El equipo de prácticas de servosistemas de la compañía Feedback consta de varias unidades que se pueden interconectar para generar distintos sistemas, algunos de los cuales se desarrollarán en este manual de prácticas.

Componentes más importantes

Los componentes más significativos del equipo son los siguientes:

Fuente de alimentación: Genera 24 V no regulados a través del conector que lo une al servoamplificador, además en el frontal dispone de dos juegos de conectores en los que se tienen disponibles tensiones de +15 V, O V y -15 V de corriente continua.

Motor de corriente continua: consta de armadura y dos bobinas de campo. Las dos bobinas están conectadas en serie con su centro de derivación conectado a la fuente de +24 V. Según sea la polaridad aplicada a estas bobinas, la rotación del motor será en un sentido o en el opuesto. En este equipo sólo se tiene control sobre la tensión aplicada a la armadura a través del servoamplificador.

Servoamplificador: Para producir la rotación del motor, se conecta una tensión a la entrada Vgi o Ve2 lo que hará que el motor gire en un sentido o en el contrario. En función de la tensión aplicada el servoamplificador se aplicará mayor tensión al motor lo que hará vaya girando más rápido hasta que se llegue a la máxima

Introducción

tensión de salida de éste en la que por mucho que se aumente la tensión en

cualquiera de las entradas, la velocidad del motor no aumentará.

Tacogenerador: es un generador de corriente continua, que produce una

tensión proporcional a su velocidad y su signo depende de su sentido de giro.

Debido a que la relación entre la tensión y la velocidad es lineal, puede

calcularse esta última conociendo la tensión en sus bornas. En este caso la

relación es de 440 rpm por voltio. Calculándose la velocidad del motor con la

formula:

Velocidad (rpm) = 440 x Tensión (voltios)

En el tacogenerador hay un reductor de velocidad con una relación 30:1 que será usado en las prácticas de sistemas de control de posición.

Medida de \a intensidad del motor de corriente continua

La corriente que consume el motor no se puede medir directamente. Para su medida habrá que conectar un voltímetro en la salida 5 del servoamplificador, y tener en cuenta que por cada voltio que se mida estará circulando por el motor un amperio.

Conexiones de equipos mecánicos

Debido a que en gran parte de las prácticas es necesario conectar los motores al tacómetro, en este apartado se mostrará como hacerlo. Hay que tener en cuenta que los diámetros de los ejes de los motores y del tacogenerador son diferentes.

Prácticas de regulación automática

Conexión simple motor- tacogenerador

Esta conexión se puede ver en la figura 0.1, En ella se puede observar que para conectarlos hay que usar la pieza formada por un tornillo central y dos tuercas. Las tuercas se insertarán en los ejes, luego a continuación uno o dos aros de goma y finalmente se atornillarán a la pieza central.

MGTDR

^

^

^

^

~

'-'

TACD

Figura 0.1. Conexión Motor y Tacogenerador

MDTDR TACG

VOLANTE DE

INERCIA

DISCG LE

FREND

Figura 0.2. Conexión del volante de inercia y disco de frenado

Introducción

Conexión del volante de inercia y disco de frenado

La conexión de estos discos se puede ver en la figura 0.2. Para su instalación, en primer lugar se insertará la pieza cónica en el eje, luego dependiendo del disco que se vaya a colocar (el disco o nada), a continuación la pieza de plástico y finalmente se atornillarán las piezas cónicas a la tuerca alargada central.


Práctica 1

El servomotor de corriente continua

Objetivo

Examinar la característica del servomotor de corriente continua

Teoría

El fin de esta práctica es examinar la relación que existe entre la tensión aplicada a un motor de corriente continua, a través del servoamplificador, y su velocidad y consumo de corriente.

Material y equipo empleado

Fuente de corriente PS-150E Servoamplificador SA-150D

Motor de corriente continua DCM-150F AtenuadorAU-150B Tacogenerador GT-150X Polímetro

Instrucciones para el Alumno

1. Conecte las unidades según la figura 1.1

Práctica 1. El servomotor de corriente continua

2. Con la salida 5 del atenuador desconectada, variar el potenciómetro A hasta obtener

3 V en la salida 2, volver a conectar la salida 5.

3. Ponga el potenciómetro B a cero. Ajuste el potenciómetro paso a paso de O a 10 y mida la tensión Vei (entre la entrada 1 del servoamplificador y O V), la tensión del tacogenerador (Vj) y la corriente consumida (medida tal como se describió en la introducción al describir el servoamplificador). A cada paso permita que se estabilice la velocidad del motor.

4. Usando la fórmula (ver Tacogenerador en la introducción) calcule la velocidad del motor.

5. Coloque el potenciómetro a cero.

Potenc.

Vel

(V)

VT

(V)

Veloc. (rpm)

IT

(A)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabla 1.1

6. Mueva la conexión móvil del potenciómetro B a la entrada 2 del servoamplificador.

Prácticas de regulación automática

7. Repita los pasos del 3 al 5.

Potenc.

Ve2

(V)

VT

(V)

Veloc. (rpm)

IT

(A)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabla 1.2

8. Dibuje una gráfica que muestre los resultados de las tablas 1.1 y 1.2 de la velocidad del motor respecto a la tensión de entrada (Vel positivo y Ve2 negativo en el eje 'X' y la velocidad hacia delante y hacia atrás en el eje 'Y').

9. Dibuje una gráfica usando los resultados de la tabla 1.1 de la corriente IT respecto a la velocidad del motor (velocidad en el eje 'X' y IT en el eje 'Y').

8 Práctica 1. El servomotor de corriente continua

^J.^^^U

Bfetdbuk

shan extensión

^switchto de volts

Figura 1.1. Conexión de las prácticas 1 y 2

Conclusiones

¿Qué valor de tensión se necesita en la entrada 1 para obtener una velocidad de 1.500 rpm?

¿Qué valor de corriente pasa a través de la armadura cuando la velocidad es 1.500 rpm?

Explique la gráfica i j con relación a la velocidad.

¿Cuáles son las tensiones mínimas que se necesitan para producir movimientos en el

motor en los dos sentidos?

Prácticos de regulación automática 9

¿Si estuvieran conectadas las entradas 1 y 2 a la vez, de qué manera se controlaría la dirección de rotación del motor?

+15V

COMÚN

V "/ARMADURA ¥

• +24 V

Figura 1.2. Circuito simplificado

10 Práctica 2. Característica del freno del servomotor

Práctica 2

Característica del freno del servomotor

Objetivo

Examinar la característica del servomotor cuando se aplica la fuerza del freno

magnético.

Teoría

El motor tiene conectado a su eje un disco de aluminio. Este disco está colocado de tal forma que se interpone entre los dos polos de un imán permanente. Cuando se mueve el disco, el campo magnético induce pequeñas fuerzas electromotrices en éste, produciéndose una fuerza que tiende a frenarlo.

Al aumentar la velocidad, la fuerza resistente aumentará y por tanto lo hará también la

energía (corriente) que consuma el motor.

Para la realización de esta práctica, se debe mantener la tensión de entrada constante

fijando un valor en el potenciómetro B.


1 Fuente de corriente PS-150E 1 ServoamplificadorSA-150D 1 Motor de corriente continua DCM-150F


1 AtenuadorAU-150B

1 TacogeneradorGT-150X 1 Freno Magnético 1 Polímetro


1. Conecte las unidades según la figura 1.1 de la práctica 1.

2. Coloque el freno magnético ajustado a la posición 10, de tal forma que el disco de aluminio esté muy cerca de la base de los imanes sin tocarlos, tal como se indica en la figura 2.1.

mam Q

¡^^^wu^^w

C3

•-t- ^gP Figura 2.1. Montaje del freno magnético

3. Con la salida 5 del atenuador desconectada, variar el potenciómetro A hasta obtener 3 voltios en la salida 2, volver a conectar la salida 5.

4. Con el freno en la posición O, ajuste el potenciómetro B para obtener una velocidad del motor que produzca Vy =3 V en el tacogenerador. No se debe variar más el potenciómetro B.

12 Práctica 2. Característica del freno del servomotor

5. Mida usando el polímetro, la tensión en los bornes del tacogenerador y la corriente IT.

6. Variando el freno desde O hasta 10 y dejando que se estabilice la velocidad en cada posición. Mida la tensión VT y la corriente \j.

7. Usando la fórmula (ver Tacogenerador en la introducción) calcule la velocidad del motor.

8. Dibuje las gráficas de velocidad y corriente (IT) en función de la posición del freno (posición del freno en eje 'X' y velocidad y corriente en el eje 'Y').

Freno

VT

(V)

IT

(A)

Veloc. (rpm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabla 2.1

Conclusiones

1. Discuta las gráficas.

2. ¿Por qué aumenta la corriente IT cuando se aplica el freno?

3. ¿De qué manera se puede aumentar el efecto del freno? Indica dos métodos.

4. ¿Por qué mantenemos constante la tensión de entrada del amplificador de servo?


Práctica 3

El amplificador operacional

Objetivo

Examinar el amplificador operacional que se usa como dispositivo del sistema servo.

Teoría

Ya se ha visto el uso de un amplificador operacional como un amplificador que tiene su ganancia controlada por medio de las resistencias que están conectadas exteriormente al circuito integrado. Este experimento usa el mismo circuito como parte del juego de unidades del sistema de servo.


1 Fuente de corriente PS-150E

1 Amplificador operacional OA-150A 1 Potenciómetro de entrada IP-150H 1 Polímetro


1. Conecte los aparatos como se indica en la figura 3.1. Por medio del potenciómetro de entrada se puede aplicar una tensión positiva o negativa al amplificador.

14 Práctica 3. El'amplificador operacional

2. Ponga el interruptor del amplificador a 100 KQ.

3. Ajuste el potenciómetro hasta que la tensión en la entrada 1 del amplificador sea

cero. Esta tensión se mide conectando el poiímetro entre común (O V) y dicha entrada.

4. Ahora coloque el poiímetro en la salida 6 y ajuste ZERO SET hasta que la tensión

sea cero.

5. Mueva el potenciómetro para obtener las tensiones que están indicadas en la tabla

3.1 y mida las tensiones de salida a cada paso teniendo en cuenta la polaridad. El

potenciómetro ZERO SET no se debe variar durante las mediciones.

Ve

(V)

Vs

(V)

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

Ve

(V)

Vs

(V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabla 3.1

6. Dibuje una gráfica de Vs con referencia a Ve (Ve en el eje 'X' y Vs en el eje 'Y').


7. Usando la gráfica anterior, calcule la ganancia del circuito. La ganancia viene dada por la siguiente formula:

Conclusiones

1. Justifique la ganancia de tensión de este circuito usando la fórmula teórica y los valores de Rf (resistencia de realimentación) y Re (resistencia de entrada).

2. Hay otro nombre para este circuito, ¿Cuál es?

3. ¿Hay un límite en la tensión para este circuito?

B b » » ! ! » ! Illll

SFeedback

K=]

e«.<a>.UiliOAIW« S

t^ Vo

Figura 3.1. Conexión de la práctica 3

16 Práctica 4. Generación de una señal de error

Práctica 4

Generación de una señal de error

Objetivo

Medir la tensión de error que se produce con dos potenciómetros que están conectados

a una fuente de polaridad positiva y negativa.

Teoría

En un sistema de control posicional de servo se pueden usar dos potenciómetros como el elemento de generación de tensión de error, como se ve en la figura 4.2. Estos potenciómetros se conectan de manera que cuando las conexiones móviles se mueven en cierta dirección, una se mueve hacia la tensión positiva y la otra hacia la tensión negativa. Esta conexión se llama "potenciómetros cruzados", de manera que cuando las conexiones móviles de ambos potenciómetros estén en O, se tendrá en uno -15 V y en el otro +15 V.

Como resultado, la tensión que hay en la unión de las tres resistencias de 100 KQ de entrada del operacional es cero. Bajo esta condición, la tensión de error en el amplificador es cero. Quedando el sistema equilibrado.

En este experimento se usará el potenciómetro de salida como referencia.



Fuente de corriente PS-150E Amplificador operacional OA-150A Potenciómetro de entrada IP-150H Potenciómetro de salida OP-150K Polímetro


.xO^^^^^^t;

1. Conecte el aparato como está indicado en la figura 4.1, dejando desconectadas las entradas del amplificador.

2. Ponga el interruptor del amplificador operacional a 100 KQ.

3. Conecte el polímetro entre la salida del amplificador y la línea común.

4. Ajuste ZERO SET hasta que la tensión sea cero.

5. Ponga los dos potenciómetros a los ángulos que se indican en la tabla 4.1 y mida la tensión de error Vs.

LINEALIDAD DEL SISTEMA.

Grados

Vs

(V)

(180)

-180

(210)

-150

(240)

-120

(270)

-90

(300)

-60

(330)

-30

360)

0 30 60 90 120 150

Tabla 4.1

18 Práctica 4. Seneración de una señal de error

6. Ponga el potenciómetro de salida a cero grados.

7. Cambie el rango del voltímetro a 30 V DC o escala superior.

8. Sin mover el potenciómetro de salida ponga el potenciómetro de entrada a los ángulos de la tabla 4.2, midiendo la tensión de error a cada ángulo.

TENSIONES DE ERROR CON es=Oe

Grados

Vs

(V)

(180)

-180

(210)

-150

(240)

-120

(270)

-90

(300)

-60

(330)

-30

360)

0 30 60 90 120 150

Tabla 4.2

9. Dibuje una gráfica de las tensiones de error con referencia al ángulo (ángulos positivos y negativos a el eje 'X' y las tensiones positivas y negativas en el eje 'Y').

10. Usando la gráfica calcule el factor de error. El factor de error viene dado por la fórmula:

K - — ^ volts I grado

Conclusiones

1. ¿Cuál será el efecto, si se conectan los dos potenciómetros en paralelo en vez de cruzados?


2. ¿De qué manera se puede aumentar el valor del factor de error?

3. Sugiera algunas razones de porqué los valores de la Tabla 4.1 no son cero, ni tampoco son un valor constante.

4. ¿Cuál es la diferencia entre el factor de error y el gradiente de los potenciómetros?

B l I 11*1 II VtMB

SFudback

'<,„.•> ^<w,<, •

<m]

.<§H=>J-|>:¿-UJiOAtSM ®

t^ B OM^M fkMtéBMv oriHC

Vo error

Figura 4.1. Conexión práctica 4

20 Práctica 4. Seneración de una señal de error

M5Vi

-15V

/777777 COMÚN



Práctica 5

El amplificador operacional en configuración de

ganancia variable

Objetivo

Investigar el uso de un anriplificador operacional conectado en configuración de

ganancia variable de tensión.

Teoría

Como se ha visto, cuando se aplica una realimentación negativa a un amplificador, la ganancia del circuito baja a un valor de:

G'y-\ + pGy

Como se está trabajando con un amplificador operacional, cuya ganancia en cadena abierta (Gv) es muy alta, entonces pGv es mucho mayor que 1 quedando:

Gy = 1

Se observa en la figura 5.2 que pVs es una fracción de la tensión de salida Vs, o lo que es lo mismo, (3 es la fracción de la resistencia de salida entre el cursor y tierra respecto a la resistencia de salida total.

22 Práctica 5. El amplificador operacional en configuración de ganancia variable


1 Fuente de corriente PS-150E 1 Amplificador operacional OA-150A

1 Unidad atenuadoraAU-150B

1 Polímetro


1. Conecte las unidades como está indicado en la figura 5.1.

2. Desconecte la entrada 2 del amplificador operacional y varíe el potenciómetro A hasta que en la entrada 1 haya O voltios.

3. Conecte el polímetro a la salida del amplificador.

4. Ponga el interruptor del amplificador a EXTERNAL.

5. Ajuste el ZERO SET hasta que la tensión de salida esté a cero voltios y vuelva a conectar la entrada 2 del amplificador operacional.

6. Coloque el polímetro a la entrada 2 del amplificador y ajústelo a 1 voltio, usando el potenciómetro B. Esta tensión de entrada se mantendrá constante para todas las mediciones.

7. Conecte el polímetro a la salida.

8. Mida la tensión de salida en todas las posiciones del potenciómetro A que se

muestran en la tabla 5.1.


Ve=1V

Potenciómetro A

Vs

^ - ^ .

' - ^

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tabla 5.1

9. Dibuje una gráfica de Vs con referencia a las posiciones del potenciómetro A (potenciómetro A en el eje 'X' y Vs en el eje 'Y').


Conclusiones

1. De un valor promedio de la ganancia intrínseca de tensión del amplificador operacional.

24 Práctica 5. El amplificador operacional en configuración de ganancia variable

2. ¿Por qué no se puede calcular el valor de Gv' cuando el potenciómetro esté puesto

en una posición menor de 1?

3. ¿Por qué la ganancia de tensión es 1 con el potenciómetro A puesto a 10?

+15 V»

COMÚN

Figura 5.2. Amplificador operacional en configuración de ganancia variable


Práctica 6

El preamplif ¡cador

Objetivo

Examinar las características del preamplificador y su uso como unidad de control para el servoamplificador.

Teoría

En las prácticas anteriores, se ha visto que en un amplificador si la señal de entrada varia de polaridad y de módulo, también lo hará proporcionalmente su única salida.

Pero en el servoamplificador, para lograr cambiar el sentido de giro del motor se

necesitará actuar sobre alguna de sus dos entradas, por tanto se necesitará un equipo

que en función del signo en la entrada active una u otra salida.

El equipo que realiza esta acción es el preamplificador, por lo que dispone de dos salidas. Las tensiones de salida se miden en los bornes 3 y 4 de la unidad. La señal de control que se necesita para el servoamplificador es la diferencia entre las dos tensiones Vs3 y Vs4. Por tanto, para ver que el circuito es eficaz, se dibujarán no solamente las gráficas Vs3 y Vs4 sino también la gráfica de la diferencia entre Vs3 y Vs4.

26 Práctica 6. El preamplif icador


1 Fuente de corriente PS-150E

1 PreamplificadorPA-150C

1 Unidad atenuadoraAU-150B

1 Polímetro


1. Conecte las unidades como se indica en la figura 6.1 con la tensión del

potenciómetro A a +15 V.

2. Coloque los dos potenciómetros (A y B) a 0.Conecte el polímetro entre 3 y 4 del preamplificador.

3. Ajuste el ZERO SET hasta que la tensión sea cero.

4. Conecte el polímetro al contacto móvil del potenciómetro A (borne 2) y ajuste la tensión a 2 voltios.

5. Ahora conecte el polímetro a la entrada del preamplificador (borne 1) y coloque el

potenciómetro B a cero.

6. Siguiendo la tabla 6.1 ajuste la tensión de entrada a las tensiones indicadas y mida Vs3 y Vs4 en cada paso. Después de acabar de medir las tensiones positivas de entrada, transfiera la conexión de la tensión del potenciómetro A de +15 voltios, a -15 voltios y finalice la tabla. Calcule la tensión Vs3-Vs4 No olvide tener en cuenta la polaridad de la tensión de salida.

7. Dibuje las gráficas de Vs3 y Vs4 con referencia a Ve en los mismos ejes (Ve en el eje 'X').


8. Calcule la ganancia del tensión del amplificador usando las partes lineales de las gráficas.

9. Dibuje una gráfica de (Vs3-Vs4) con referencia a Ve (Ve en el eje 'X').

10. Calcule la ganancia diferencial de la tensión de la gráfica de (Vs3-Vs4).

Ve

Vs3

Vs4 (V)

Vs3-Vs4

(V)

-1,8 -1,5 -1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0 0,3 0,6 0,9

Ve (V) Vs3 (V) Vs4 (V)

Vs3-Vs4 (V)

1,2 1,5 1,8

Tabla 6.1

Conclusiones

1. ¿Qué ocurre si se aumenta la tensión de entrada a un valor superior a 1,2 V?

2. ¿Cuál será el efecto si se conecta este preamplificador al servoamplificador y el ZERO SET no es puesto a cero?

28 Práctica 6. Elpreamplificador


2ER0 SET

+15V

COM

^ ^ I . 4 Vo(3)

Figura 6.2. Preamplificador

Vo(4)


Práctica 7

Control de velocidad de un motor de corriente continua

Objetivo

Ver los requisitos de un sistema de control automático de velocidad de un motor de

corriente continua.

Teoría

Para entender el funcionamiento del sistema, véase la figura 7.2. El potenciómetro B se usa para obtener una tensión que sirve como tensión de referencia (Vret). Esta tensión se conecta a la entrada 2 del amplificador.

Cuando el tacogenerador se mueve, acoplado al eje del motor, se produce una tensión a través de los bornes del taco VT, que es proporcional a la velocidad del motor. La tensión del taco se conecta con la polaridad opuesta a la tensión de referencia. De esa manera la tensión del taco sirve como realimentación negativa.

Debido a que los transistores del servoamplificador usan tensión positiva para control y teniendo en cuenta que el amplificador operacional invierte la señal, la tensión que se tiene que conectar al potenciómetro B debe ser negativa.

Para obtener un amplificador de ganancia variable K, se usará la conexión descrita en la práctica 5.

30 Práctica 7. Control de velocidad de un motor de corriente continua

En cada Instante la tensión de error, que impulsa al servoamplificador, es la diferencia

entre Vref y VT multiplicada por un factor, según la ganancia del amplificador y también

invertida.

Verr = - ( V , e f - V T ) . K

Si se aplica el freno electromagnético, la velocidad del motor baja, bajando Vj,

aumentando Verr, e impulsando por tanto más el servoamplificador para que la

velocidad del motor regrese a su velocidad inicial.

Los límites en el sistema son la corriente máxima del motor y la ganancia del amplificador.


Fuente de corriente PS-150E Servoamplificador SA-150D Motor de corriente continua DCM-150F Tacogenerador GT-150X AtenuadorAU-150B Amplificador operacional OA-150 Freno magnético Polímetro


1. Conecte las unidades como está indicado en la figura 7.1. Ponga el interruptor del

amplificador operacional a EXTERNAL.


2. Coloque el potenciómetro A a 10.

3. Ponga la tensión de entrada 2 del amplificador operacional a cero, usando el potenciómetro B. Conecte el polímetro entre 6 y común y ajuste el ZERO SET para que dé una lectura de cero voltios.

4. Conecte el polímetro a través de los bornes del tacogenerador.

5. Con el freno en la posición O, ajuste el potenciómetro B para obtener una velocidad del motor que produzca Vj = 3 V. No se debe variar más este potenciómetro.

6. Aplique el freno, paso a paso, y mida la tensión del taco VT y la corriente del motor. Usando la fórmula (ver Tacogenerador en la introducción) calcule la velocidad del motor. Obtenga la ganancia del amplificador según la práctica 5.

7. Coloque el potenciómetro A a 3.

8. Repita los pasos del 4 al 6.

9. Usando los mismos ejes, dibuje las gráficas de las velocidades de las dos tablas con referencia a las posiciones del freno (posiciones del freno en el eje 'X').

10. Dibuje las gráficas de las corrientes de las dos tablas con referencia a las posiciones del freno.


Potenciómetro A a 10.

Freno

VT (V)

(A) Veloc. (rpm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabla 7.1

Potenciómetro A a 3.

Freno

VT (V) Im

(A) Veloc. (rpm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabla 7.2


ElFeedbKlc BFeedback

©••—•¿—'©2; RaJoctioo Gcar Tacho Uatt



Conclusiones

1. ¿Por qué es el resultado de la tabla 7.1 mejor que el de la tabla 2.1 ?

2. Explique los términos y la diferencia entre "lazo abierto" y "lazo cerrado".

3. Compare los resultados con los de la práctica 2.

4. ¿Cuál es la ganancia máxima del circuito del amplificador operacional?

5. Dibuje un circuito más completo que el de la figura 7.2. mostrando todas las

interconexiones de los potenciómetros y el amplificador.

6. Dibuje el diagrama de bloques (función de transferencia) donde aparezcan todos los elementos del circuito: motor, amplificador, restador referencia-realimentación, tacogenerador, etc.

- 1 5 V>

10 K ohni.

•• +24 V



Práctica 8

Control posiclonal

Objetivo

Montar un sistema de control posicional e investigar sus características.

Teoría

Para crear un sistema de control posicional, se tomarán como base algunas de las prácticas ya realizadas. El modo de operación se muestra en la figura 8.2. En el que cuando el sistema se encuentra equilibrado, es decir, que los ángulos de los dos potenciómetros se encuentran en la misma posición, la tensión de error generada es cero (ver práctica 4). Tan pronto como haya una diferencia entre los potenciómetros de entrada (Referencia) y de salida (Posición) se genera una señal de error que se aplica al preamplificador por el atenuador (potenciómetro A), el cual controlará la velocidad y sentido del motor a través del servoamplificador (ver práctica 6).

Para permitir que el eje del motor gire libremente se usará la caja reductora de relación

30 a 1 que se encuentra en la unidad del taco.

Si el sistema fuera perfecto, el potenciómetro de salida se posicionaría exactamente en el mismo ángulo que el potenciómetro de entrada.

36 Práctica 8. Control posicional


Fuente de corriente PS-150E

Servoamplificador SA-150D

Motor de corriente continua DCM-150F

Tacogenerador GT-150X

AtenuadorAU-150B

Amplificador operacional OA-150A

Preamplificador PA-150C

Potenciómetro de entrada IP-150H

Potenciómetro de salida OP-150K

Polímetro


1. Conecte las unidades como se indica en la figura 8.1 (sólo las conexiones en línea continua). Se tendrá así el sistema de la figura 8.2.

2. Ponga el interruptor del amplificador operacional a 100 KQ.

3. Desconecte las entradas 1 y 2 del amplificador operacional y conecte el polímetro

entre la salida 6 y común.

4. Ajuste el ZERO SET hasta que la tensión sea cero.

5. Vuelva a conectar las entradas 1 y 2.

6. Baje el potenciómetro A a cero.

7. Conecte el polímetro entre 3 y 4 del preamplificador y ajuste su ZERO SET hasta

obtener cero voltios.


8. Ponga los potenciómetros de entrada y salida a cero grados. Ajuste el potenciómetro

A a 2.

9. Mueva rápidamente el potenciómetro de entrada a 40^ y vea el efecto producido en el potenciómetro de salida.

10. Elija varios ángulos en el potenciómetro de entrada y note el efecto en el potenciómetro de salida.

11. Ahora, aumente la posición del potenciómetro A y note el efecto.

12. Ponga el potenciómetro A al máximo y vea el efecto.

13. Instale el disco de inercia y repita las pruebas que han hecho anteriormente.

Conclusiones

1. ¿Cuáles son los bloques necesarios para producir un sistema de control posicional?

2. ¿Por qué no hay ningún movimiento si ponemos el potenciómetro A a una posición

muy baja?

3. ¿Qué ocurre si ponemos el potenciómetro A a una posición muy alta?

4. ¿Cómo se llama el efecto de la conclusión 3?

5. ¿Cuál es el efecto que se produce si ponemos más carga en el eje del motor?

6. ¿Por qué se ponen los ZERO SET's a cero antes de empezar las pruebas?

38 Práctica 8. Control posicional

Figura 8.1. Conexión de las prácticas 8 y 9


7. En la configuración que se usa con el amplificador operacional, ¿Cuál es la ganancia

del circuito?

8. ¿Cuáles son los requisitos más importantes de un sistema de control posicional?


AMPUFICADOR DEL ERROR

SERVO AMPLIFICADOR

REALEVENTACION MECÁNICA

Figura 8.2. Control de Posición

30 ^ „

CAJIGA

40 Práctica 9. Control posicional con realimentación de velocidad

Práctica 9

Control posicional con realimentación de velocidad

Objetivo

Investigar los beneficios de aplicar la realimentación de velocidad a un sistema de

control posicional.

Teoría

El sistema completo se nuestra en la figura 9.1. Es igual al del control posicional pero se le ha añadido el tacogenerador y el potenciómetro B. De ese modo se tiene realimentación mecánica de la conexión entre el engranaje y el potenciómetro de salida y también realimentación eléctrica usando la tensión que sale del tacogenerador que está acoplado directamente en el mismo eje al servomotor.

Cuando el sistema está en equilibrio, el motor no gira y por tanto no hay tensión en los bornes del tacogenerador. Tan pronto como empieza a girar, el taco genera una tensión que se aplica como realimentación negativa. Esta tensión disminuye la tensión de control al preamplificador y la velocidad del motor disminuye. De esta manera se produce mucha fuerza para vencer la resistencia de fricción del sistema (motor parado) y la inercia de la carga, tan pronto como el motor ha empezado a moverse la realimentación negativa del taco produce una contra fuerza que frena el sistema.

Teniéndose así una amortiguación dinámica que reduce la tendencia del sistema a oscilar y produce oscilaciones amortiguadas.

3


En un sistema ideal la carga se mueve lo más rápido posible y llega a la posición de equilibrío sin oscilación ninguna.


Fuente de corriente PS-150E Servoamplificador SA-150D

Motor de corriente continua DCM-150F Tacogenerador GT-150X AtenuadorAU-150B Amplificador operacional OA-150A Preamplificador PA-150C Potenciómetro de entrada IP-150H Potenciómetro de salida OP-150K Polímetro


1. Conecte las unidades como está indicado en el circuito de la práctica 8, incluidas las conexiones en línea discontinua.

2. Ajuste los ZERO SET's del preamplificador operacional de la misma manera que en la práctica 8.

3. Investigue la acción de los potenciómetros A y B sin disco y con el disco de inercia.

4. Compare la respuesta del sistema con la que no tiene realimentación de velocidad (práctica 8).

42 Práctica 9. Control posicional con realimentación de velocidad

5. Determine las posiciones más satisfactorias del potenciómetro de ganancia de error,

y del potenciómetro de realimentación de velocidad para los dos casos de carga en el

eje del motor.

Conclusiones

1. Compare este sistema de control posicional con realimentación de velocidad con el

del sistema de la práctica 8.

2. ¿Cuáles son los ajustes más satisfactorios de los potenciómetros A y B para los dos

valores de carga?

3. Con este sistema, ¿se puede producir oscilación continua?

4. ¿Cuáles son los factores que producen oscilación amortiguada?

5. Explique por qué el sistema es sensible a la magnitud del desequilibrio.

6. Explique por qué el sistema es sensible a la dirección del desequilibrio.

7. ¿Por qué se llama la realimentación del tacogenerador "realimentación dinámica"?



AMPUFICADOR DEL ERROR

PRE AMPUFICADOR SERVO

AMPLIFICADOR

REALIMENTACION MECÁNICA

Figura 9.1. Control de posición con realimentación de velocidad

30 4>„

CARGA

44 Práctica 10. Respuesta de un sistema de control posicional

Práctica 10

Respuesta de un sistema de control posicional

Objetivo

Mostrar en la pantalla del osclloscopío la respuesta de un sistema de control posicional.

Teoría

Esta práctica es parecida a la práctica 9, con la diferencia de que en vez de usar un

potenciómetro de entrada para dar la señal de referencia, se emplea el generador de

funciones.

Para obtener la muestra en la pantalla se usa la onda triangular del generador, sincronizando así el barrido y el movimiento mecánico del servoamplificador.

La figura que se ve en la pantalla del osciloscopio indica la cantidad de amortiguación que hay en el sistema. Usando los controles de ganancia de señal de error, y la cantidad de realimentación de velocidad, se pueden ajustar los parámetros para dar la respuesta más satisfactoria. La respuesta más satisfactoria se produce cuando el potenciómetro de salida sigue lo más rápido posible la señal de referencia sin producir ninguna oscilación mecánica. Corrientemente, se permite un pequeño sobrepaso de la posición elegida en el interés de un movimiento más rápido.

Si se conecta la entrada Y del osciloscopio a 6 del amplificador operacional se ve solamente la tensión de error y el haz del osciloscopio siempre regresa a su origen horizontal.


Si se conecta la entrada Y del osciloscopio a 3 del potenciómetro de salida, la muestra del osciloscopio indica la colocación de la conexión móvil y así se ve el desplazamiento que se produce con la señal de referencia. La forma de las muestras se ven en las figuras 10.2 y 10.3 de la práctica.

En la figura 10.4, se ve la respuesta del sistema bajo varias cantidades de amortiguación, (tomadas de la pantalla del osciloscopio de la figura 10.3).


Fuente de corriente PS-150E Servoamplificador SA-150D Motor de corriente continua DCM-150F

Tacogenerador GT-150X AtenuadorAU-150B Amplificador operacional OA-150A

Preamplificador PA-150C Potenciómetro de salida OP-150K Osciloscopio digital Generador de funciones Polímetro

_ xc.;J rGíi


1. Conecte las unidades como está indicado en la figura 10.1.

2. Conecte el polímetro entre 6 y común del amplificador operacional.

3. Desconecte las dos entradas y ajuste el ZERO SET hasta obtener cero voltios. Vuelva a conectar las entradas.


4. Coloque el polímetro entre 3 y 4 del preamplificador. Desconecte las entradas y

ajuste el ZERO SET hasta obtener cero voltios. Vuelva a conectar las entradas.

5. Ponga el osciloscopio en X external (Modo de visualización XY), y la ganancia de X a

máxima.

El laboratorio de Ingeniería de Sistemas y Automática, dispone del osciloscopio

Hewlett-Packard HP-54600B; para utilizarlo en el modo de visualización XY (ver figura

10.5), proceda como se explica a continuación:

Pulse la tecla AUTOSCALE.

Pulse la tecla MAIN / DELAYED. Pulse la tecla programable XY (situada en la parte inferior de la pantalla del osciloscopio). Centre la señal en la pantalla con los botones de posición, y utilice los botones VOLTS / DIV y las teclas programables "Vernier" para aumentar la señal a una

visión adecuada. La figura 10.5 indica la ubicación de las teclas mencionadas anteriormente.

6. Ponga el generador en el rango de 0,1 a 1 Hz y su carátula a 5, dando 0,5 Hz con la salida en onda cuadrada.

7. Ponga el atenuador del generador a 1 y su serial de salida a 10 Vpp. La salida se toma en los bornes de 600 Q.

8. Conecte el Y del osciloscopio al contacto móvil del potenciómetro de salida.

9. Conecte el generador de onda triangular.

10. Ponga el osciloscopio en DC a la entrada Y y elija un rango de ganancia de Y para obtener un desplazamiento satisfactorio.


11. Ponga el potenciómetro B a cero.

12. Ajuste el potenciómetro A hasta producir una oscilación amortiguada. No aumente

el potenciómetro A demasiado, para evitar que se produzca una oscilación continua.

13. Dibuje la figura que se ve en la pantalla del osciloscopio.

14. Ajuste el potenciómetro B hasta que se produzca la respuesta más satisfactoria.

15. Coloque el Y a la salida del amplificador operacional e investigue la figura en la pantalla con varios ajustes de los dos potenciómetros (A y B).


larwJiMfk BFeedback



Conclusiones

1. ¿Cuáles son las posiciones más satisfactorias de los potenciómetros A y B?

2. ¿Cuál será el efecto de cambiar la carga en el eje del motor?

3. Dé el nombre de cada curva de respuesta en la figura 10.4.

4. ¿Se pueden usar varias combinaciones de los dos potenciómetros A y B para obtener una buena respuesta del sistema? Explique su contestación.

5. ¿Qué ocurre si se pone el osciloscopio con su entrada Y en AC en vez de DC?

6. ¿Qué ocurre cuando se usa una señal de referencia de onda triangular y la amortiguación no es suficiente?

1 SO.Og 2 50Qg XY STOP

•M. .1. .1....-i. .1. . J m ,

Figura 10.2. Tensión de error


1 2 0 . Oü 2 200'3 XV

.m^'

•••••j0

STOP

Figura 10.3. Tensión del desplazamiento del potenciómetro

B A V

í /

1 / A

1 / /

1 / / y \U / 1 /

^'T^^í^í**'" f y ^

t=0

Figura 10.4. Respuesta del sistema

- • t


Figura 10.5. Osciloscopio en modo de visualización XY

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