CONTROL AUTOMÁTICO APLICADO
PRÁCTICAS DE LABORATORIO

CONTROL AUTOMÁTICO APLICADO
PRÁCTICAS DE LABORATORIO

CHRISTIAN G. QUINTERO M.

JOSÉ A. OÑATE LÓPEZ

JAMER R. JIMÉNEZ M.

LOS AUTORES

CHRISTIAN G. QUINTERO M. Profesor e investigador de tiempo completo del Departamento de Ingenierías Eléctrica y Electrónica de la Universidad del Norte en Barranquilla, Colombia. Recibió su Ph.D. Cum Laude en el programa doctoral en Tecnologías de la Información del Departamento de Electrónica, Informática y Automática de la Universidad de Girona, España (2007). Es Ingeniero Cum Laude en Electrónica de la Universidad Industrial de Santander, Colombia (2001). Miembro del grupo de investigación en Robótica y Sistemas Inteligentes, coordinador de la Maestría en Ingeniería Electrónica y docente de las asignaturas Control Automático, Control y Agentes Inteligentes y Diseño de Sistemas Inteligentes de la Universidad del Norte. Sus intereses en investigación y docencia incluyen el desarrollo de planteamientos de Inteligencia Computacional y Control Automático implementados conjuntamente en diversos dominios de aplicación. Su experiencia en investigación está relacionada con la definición, formulación, negociación, ejecución y evaluación de proyectos tecnológicos y gestión de proyectos de educación en tecnología.

JOSÉ A. OÑATE LÓPEZ. Máster en Ingeniería Electrónica con énfasis en Robótica y Sistemas Inteligentes de la Universidad del Norte en Barranquilla, Colombia (2012) e Ingeniero en Electrónica de la misma universidad (2010). Miembro del grupo de investigación en Robótica y Sistemas Inteligentes GIRSI de la Universidad del Norte. Se desempeña como consultor en diferentes empresas de la región aplicando técnicas de inteligencia computacional para la optimización de procesos y toma de decisiones efectivas. Su experiencia en investigación y docencia está relacionada con sistemas robóticos multiagente, sistemas inteligentes de transporte, control automático e instrumentación electrónica.

JAMER JIMÉNEZ MARES. Máster Cum Laude en Ingeniería Electrónica con énfasis en Eficiencia Energética y Sistemas Inteligentes de la Universidad del Norte en Barranquilla, Colombia (2013). Ingeniero Electrónico y Telecomunicaciones de la Universidad Autónoma del Caribe (2009). Miembro del grupo de investigación en Robótica y Sistemas Inteligentes de la Universidad del Norte. Sus principales áreas de interés están relacionadas con el desarrollo de sistemas de gestión para el desarrollo de redes eléctricas inteligentes Smart Grids. Su experiencia en investigación y docencia está relacionada con sistemas de gestión inteligente para la eficiencia energética, modelado de datos, predicción y análisis de series de tiempo, control automático e instrumentación electrónica.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

PRÁCTICA DE LABORATORIO I

MODELADO DE SISTEMAS DINÁMICOS

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Diseño de un sistema de control

Requerimientos

5.2 Modelado de sistemas eléctricos

Modelado de un amplificador, Diseño e implementación, Validación del modelo, Modelado de un filtro, Diseño e implementación, Validación del modelo.

6. PROYECTO INTEGRADOR

6.1 Requerimientos primera etapa

PRÁCTICA DE LABORATORIO II

ANÁLISIS DE LA RESPUESTA TRANSITORIA Y ESTACIONARIA

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Diseño y análisis de un sistema de primer orden

Pll Phase loop locked, Integrador de Miller, Oscilador de relajación: Schmitt trigger.

5.2 Diseño y análisis de un sistema de segundo orden

Control del nivel de azúcar en la sangre, Control de un dispositivo de propulsión a chorro, Control de movimiento de un radiotelescopio.

5.3 Aplicación en Matlab: utilización y análisis de la respuesta transitoria

6. PROYECTO INTEGRADOR

6.1 Requerimientos segunda etapa

PRÁCTICA DE LABORATORIO III

CRITERIO DE ROUTH Y ANÁLISIS DEL LUGAR DE LAS RAÍCES

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Aplicación del criterio de estabilidad de Routh

Control de posición de un robot de soldadura, Control de giro de un vehículo con bandas de rodamiento, Control de velocidad de una línea de llenado de botellas.

5.2 Aplicación del análisis del lugar de las raíces

Vehículo robot explorador, Brazo robótico, Piloto automático para un avión.

5.3 Aplicación en MATLAB: criterio de estabilidad de Routh

6. PROYECTO INTEGRADOR

6.1 Requerimientos tercera etapa

PRÁCTICA DE LABORATORIO IV

ANÁLISIS DE LA RESPUESTA EN FRECUENCIA

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Aplicación del análisis de la respuesta en frecuencia

Vehículos autónomos, Exploración no tripulada de planetas, Dispensador automático.

5.2 Aplicación en Matlab: funciones de transferencia y diagramas de Bode

6. PROYECTO INTEGRADOR

6.1 Requerimientos cuarta etapa

PRÁCTICA DE LABORATORIO V

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL SIMULADO

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Análisis del comportamiento del sistema con un controlador PID

5.2 Análisis del comportamiento del sistema con un compensador

6. PROYECTO INTEGRADOR

6.1 Requerimientos etapa final

PRÁCTICA DE LABORATORIO VI

DISEÑO, ANÁLISIS Y SINTONIZACIÓN DE CONTROLADORES

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Análisis de la Planta

Modelo de la Planta, Análisis de la Planta en Lazo Abierto, Análisis de la Planta en Lazo Cerrado, Análisis del Sistema ante Perturbaciones.

5.2 Diseño y Sintonización de Controladores

Sintonización Gráfica de Compensadores, Sintonización Automática de PID con Técnicas Clásicas, Sintonización Automática de PID con Métodos Robustos.

5.2 Implementación y Selección de Controladores

PRÁCTICA DE LABORATORIO VII

CONTROL EN CASCADA Y CONTROL ANTICIPATIVO

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Sistemas de Control en Cascada

Diseño del Controlador Secundario, Diseño del Controlador Primario.

5.2 Sistemas de Control Anticipativo

Diseño del Controlador Anticipativo, Implementación del Controlador Anticipativo.

5.3 Comparación de Arquitecturas de Control

PRÁCTICA DE LABORATORIO VIII

CONTROL DIFUSO Y CONTROL ADAPTATIVO

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Control Difuso

Diseño del Sistema de Inferencia, Implementación del Controlador Difuso.

5.2 Control Adaptativo

Sintonización del Controlador Original, Análisis de Variaciones de Parámetros, Generación de Datos de Entrenamiento, Entrenamiento de la Red Neuronal, Implementación del Sistema de Control Adaptativo.

PRÁCTICA DE LABORATORIO IX

SISTEMAS DE CONTROL MULTIVARIABLE

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Análisis del Sistema de Control en Lazo Abierto

Respuesta al Escalón en cada Entrada, Nivel de Interacción, Selección de Variables de Control.

5.2 Análisis del Sistema de Control en Lazo Cerrado

Diseño de Controladores, Análisis de Interacción entre Variables, Análisis de Interacción con el Tanque 2.

5.3 Diseño e Implementación de un Desacoplador

Diseño del Desacoplador, Validación del Desacoplador, Implementación del Sistema de Control Desacoplado, Interacción del desacoplador sobre el Tanque 2.

PRÁCTICA DE LABORATORIO X

SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Diseño del Sistema de Control Digital

Análisis de la Planta en Lazo Abierto, Selección del Tiempo de Muestreo, Diseño de la Constante de la Planta, Diseño del Controlador PID Digital, Cambios del Tiempo de Muestreo sobre la Acción del Controlador.

PRÁCTICA DE LABORATORIO XI

CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

1. OBJETIVO GENERAL

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

4. INTRODUCCIÓN

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Identificación del Modelo para la Planta

5.2 Diseño de un Controlador PID

5.3 Implementación del Controlador

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado

Figura 1.2. Pierre-Simon Laplace (1749 - 1837)

Figura 1.3. Diagrama de bloques para el control de glucosa en la sangre

Figura 1.4. Amplificador Colector Común

Figura 1.5. Amplificador Emisor Común

Figura 1.6. Amplificador Base Común

Figura 1.7. Sensor para medir el nivel de glucosa en la sangre

Figura 1.8. Filtro Bessel pasa - bajas de cuarto orden (1kHz)

Figura 1.9. Filtro Butterworth pasa - banda de cuarto orden (1 - 5kHz)

Figura 1.10. Filtro Chebychev pasa - altas de cuarto orden (10kHz)

Figura 1.11. Prototipo del producto final para el Proyecto Integrador

Figura 1.12. Diagrama de bloques de los procesos del Proyecto Integrador

Figura 1.13. Diagrama de bloques del control de profundidad para un robot submarino

Figura 1.14. Diagrama de bloques del control de balanceo de un avión

Figura 1.15. Diagrama de bloques del control de posición de un ascensor

Figura 2.1. Respuesta para sistemas de primero y segundo orden ante una entrada escalón

Figura 2.2. Diagrama de bloques de un PLL

Figura 2.3. Integrador de Miller

Figura 2.4. Amplificador operacional Schmitt Trigger

Figura 2.5. Control del nivel de azúcar en la sangre

Figura 2.6. Control de propulsión a chorro

Figura 2.7. Control del balanceo de una antena

Figura 2.8. Prototipo del producto final para el Proyecto Integrador

Figura 2.9. Diagrama de bloques de los procesos del Proyecto Integrador

Figura 2.10. Diferentes dinámicas en el control de la orientación de un robot móvil

Figura 3.1. Walter Richard Evans y Edward Routh

Figura 3.2. Diagrama de bloques para el control de posición de la cabeza de soldadura

Figura 3.3. Diagrama de bloques para el control de giro de un vehículo con dos bandas de rodamiento

Figura 3.4. Diagrama de bloques para el control de velocidad de una línea de llenado de botellas

Figura 3.5. Sistema de control para un vehículo robot explorador

Figura 3.6. Sistema de control para un brazo robótico

Figura 3.7. Sistema de control para el piloto automático de un avión

Figura 3.8. Prototipo del producto final para el Proyecto Integrador

Figura 3.9. Diagrama de bloques de los procesos del Proyecto Integrador

Figura 4.1. Bode y Nyquist

Figura 4.2. Diagrama de bloques del sistema de control de un sistema Human Steering

Figura 4.3. Diagrama de bloques del sistema de control de una de las patas de un robot hexápodo

Figura 4.4. Diagrama de bloques del sistema de control de posición de un dispensador

Figura 4.5. Ejemplo del desarrollo de la aplicación computacional

Figura 4.6. Prototipo del producto final para el Proyecto Integrador

Figura 4.7. Diagrama de bloques de los procesos del Proyecto Integrador

Figura 5.1. Diagrama de bloques de los procesos del Proyecto Integrador

Figura 5.2. Ejemplo de una interfaz gráfica utilizada para el análisis de un circuito RLC.

Figura 5.3. Ejemplo de una interfaz gráfica utilizada para el análisis de estabilidad a partir de la respuesta en frecuencia

Figura 5.4. Diagrama de bloques de un controlador PID

Figura 5.5. Requerimientos de la interfaz gráfica del Proyecto Integrador

Figura 6.1. Intercambiador de Calor

Figura 6.2. Respuesta al escalón de la temperatura en el tanque

Figura 6.3. Sistema de control de temperatura en lazo cerrado con perturbaciones

Figura 6.4. Interfaz gráfica de sisotool

Figura 6.5. Diseño gráfico de compensadores mediante sisotool

Figura 6.6. Diseño automático de controladores clásicos usando sisotool

Figura 6.7. Sintonización automática de controladores PID mediante técnicas robustas usando sisotool

Figura 6.8. Configuración de un controlador PID para el sistema de control

Figura 6.9. Arquitectura del controlador PID

Figura 7.1. Comparación de las diferentes técnicas de control

Figura 7.2. Intercambiador de Calor.

Figura 7.3. Sistema de control de temperatura en lazo cerrado con perturbaciones

Figura 7.4. Respuesta del sistema de control en lazo cerrado ante una perturbación

Figura 7.5. Sistema de control en cascada para el intercambiador de calor

Figura 7.6. Respuesta al escalón de la temperatura en el tanque

Figura 7.7. Diagrama de bloques para el diseño del controlador feedforward

Figura 7.8. Sistema de control anticipativo para el intercambiador de calor

Figura 8.1. Intercambiador de Calor

Figura 8.2. Diagrama de bloques para el sistema de control difuso

Figura 8.3. Configuración del generador de números aleatorios bloque Uniform Random Number y el bloque To Workspace, respectivamente

Figura 8.4. Editor de sistemas difusos de MATLAB

Figura 8.5. Editor de las funciones de membresía

Figura 8.6. Editor de reglas de inferencia

Figura 8.7. Diagrama de bloques de un controlador adaptativo autosintonizable

Figura 8.9. Parámetros de configuración del bloque To File

Figura 8.10. Parámetros de configuración de la función de transferencia del proceso

Figura 9.1. Reactor de Tanque Agitado

Figura 9.2. Diagrama del sistema de dos tanques acoplados

Figura 9.3. Modelo del Tanque 1

Figura 9.4. Modelo del Tanque 2

Figura 9.5. Diagrama de bloques del sistema de dos tanques acoplados en lazo abierto

Figura 9.6. Respuesta del nivel del tanque 1 ante una entrada e scalón en el flujo de agua caliente

Figura 9.7. Diseño de controladores para el control de nivel y temperatura en el tanque 1

Figura 9.8. Análisis de interacción ante los cambios de set-point en la temperatura sobre el nivel del tanque 1 y viceversa

Figura 9.9. Diagrama de bloques del desacoplador a diseñar

Figura 9.10. Diagrama de bloques para la validación del diseño del desacoplador

Figura 9.11. Sistema de Control del Temperatura y Nivel para el Tanque 1

Figura 10.1. Diagrama de bloques de un sistema de control digital

Figura 10.2. Esquemático de una máquina de moldeo por inyección

Figura 10.3. Sistema de control para la temperatura del polímero

Figura 10.4. Diagrama en Simulink para el sistema de control digital en lazo cerrado

Figura 10.5. Configuración del bloque Discrete Transfer Fcn

Figura 11.1. Planta de control de nivel de un tanque

Figura 11.2. Banco de automatización

Figura 11.6. Sistema de control implementado en Simulink para el control de nivel del tanque

Figura 11.7. Arquitectura del controlador PID en el PLC Twido de Schneider

INTRODUCCIÓN

En esta nueva edición, el material propuesto pretende ser un complemento de los conceptos teóricos estudiados tanto en un curso básico de Control Automático como en uno de Técnicas Avanzadas de Control. Específicamente, en la aplicación de conceptos y técnicas para el diseño, análisis, simulación, selección e implementación de sistemas de control: análisis y diseño de sistemas lineales de control, modelado matemático, diagramas de bloques, funciones de transferencia, representación en el espacio de estados, análisis de la respuesta transitoria y estacionaria, estabilidad, criterio de Routh, método del lugar de las raíces, análisis de la respuesta en frecuencia, diseño de controladores y compensadores, control en cascada, control anticipativo, control difuso, control adaptativo, control multivariable y sistemas de control digital. Adicionalmente, con el desarrollo de este material se fortalecerán los conocimientos del estudiante en el manejo de las herramientas computacionales MATLAB y SIMULINK.

MATLAB es un lenguaje de alto nivel y un entorno interactivo que le permite al usuario realizar tareas computacionalmente intensivas más rápido que con los lenguajes de programación tradicionales. SIMULINK es un entorno para simulación y diseño basado en modelos para sistemas dinámicos y embebidos. Proporciona un entorno gráfico interactivo y un conjunto de bibliotecas de bloques que le permiten al usuario diseñar, simular, implementar y probar una variedad de sistemas variables en el tiempo, con aplicaciones en control, comunicaciones, procesamiento de señales, de video y de imágenes.

MATLAB y SIMULINK desempeñan un papel fundamental en la investigación, diseño y desarrollo de productos en una amplia gama de industrias. Las compañías usan MATLAB y SIMULINK para el análisis de datos, desarrollo de algoritmos, y el diseño y desarrollo del control de procesos, procesamiento de señales, de imágenes y sistemas de comunicación, entre otros. Entre estas industrias se encuentran la NASA Jet Propulsion Laboratory, Ford Motor Company, General Motors, Hyundai, Toyota, Nissan, Pfizer Inc., Roche, Broadcom, Samsung, Vodafone, Quantum, Philips Consumer Lifestyle, entre muchas otras. En este sentido, desarrollar competencias y conocimientos en el estudiante en el manejo de MATLAB y SIMULINK resultará un valor agregado para su correcto desempeño en el mundo laboral.

De acuerdo con todo lo anterior, se plantean las siguientes prácticas de laboratorio utilizando como herramienta de prueba y validación MATLAB/SIMULINK para diferentes problemas y ejercicios.

PARTE I: Técnicas Clásicas de Control Automático

Práctica de Laboratorio I: Modelado de sistemas dinámicos

Objetivo general: lograr que el estudiante se familiarice con la utilización de técnicas y herramientas para el modelado matemático de sistemas dinámicos, la interacción entre estos y su simulación con MATLAB/SIMULINK.

Práctica de Laboratorio II: Análisis de la respuesta transitoria y estacionaria

Objetivo general: lograr que el estudiante analice y diseñe sistemas de control, tanto de primero como de segundo orden, a partir de las características obtenidas de la respuesta transitoria y estacionaria ante diferentes entradas de prueba típicas.

Práctica de Laboratorio III: Criterio de Routh y análisis del lugar de las raíces

Objetivo general: lograr que el estudiante diseñe sistemas de control aplicando los conceptos asociados a la estabilidad de un sistema, utilizando específicamente el criterio de Routh y el método del lugar de las raíces.

Práctica de Laboratorio IV: Análisis de la respuesta en frecuencia

Objetivo general: lograr que el estudiante diseñe sistemas de control que satisfagan requerimientos específicos en su respuesta en frecuencia a partir del desarrollo y el análisis de diagramas de Bode.

Práctica de Laboratorio V: Diseño e implementación de un sistema de control simulado

Objetivo general: lograr que el estudiante utilice los conceptos y fundamentos estudiados en un curso básico de Control Automático, aplicados a un problema específico en el que se diseña un sistema de control simulado utilizando MATLAB/SIMULINK a partir de técnicas convencionales de control.

PARTE II: Técnicas Avanzadas de Control Automático

Práctica de Laboratorio VI: Diseño, análisis y sintonización de controladores

Objetivo general: lograr que el estudiante se familiarice con la utilización de las herramientas computacionales para el diseño, análisis, sintonización y selección de controladores utilizando MATLAB/SIMULINK.

Práctica de Laboratorio VII: Control en cascada y control anticipativo

Objetivo generalATLABIMULINK