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LABORATORIO SISTEMAS LINEALES DE CONTROL, Ejercicios de Sistemas de Control Lineal

Laboratorio en base a sistemas de control con Labview.

Tipo: Ejercicios

2019/2020

Subido el 21/02/2020

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UAM - SISTEMAS LINEALES - DAVID RICARDO RIVERA ARBELAEZ. 1
Control de temperatura utilizando Labview y
Matlab Laboratorio 3
Santiago Puerta Rosero
Ingenier´
ıa Electronica - Universidad Aut´
onoma de Manizales
1 Diciembre del 2019
Resumen—El siguiente informe presenta el desarrollo del
laboratorio no. 3 de la clase de Sistemas lineales, en el cual se
trabaj´
o en el software labview y Matlab, los cuales nos permiti´
o
tener un control en la temperatura por medio de una interfaz
en LabView y, Matlab nos model´
o el sistema y obtuvo la funcion
de transferencia.
Palabras clave Sistemas lineales, LM35, LabView, Arduino,
LINX, Matlab, TIP122.
I. PRELABORATORIO
I-A. 1. Cu´
ales son las diferencias entre un sensor digital
y uno anal´
ogico? Un sensor Digital se diferencia de un
analogico en su senal de salida, pues el digital nos arroja
ceros y unos (0 y 5V), por lo tanto es menos propenso a
distorcionarse, ya que si tiene un desface de 0,5V por encima
o por debajo de 0v y 5v no cambia su senal de salida, pues se
toma como el mismo 1 y 0, diferente a un sensor analogo,
el cual nos entrega un valor en cada instante del tiempo,
por ejemplo un lm35 es un sensor analogico, y si se llega a
desfasar 50mv son 5 grados centigrados de desface, estos son
se exponen a m´
as a distorciones y alteraciones del exterior.
I-B. 2. Qu´
e es un tac´
ometro? El tacometro es el encardado
de medir las revoluciones de un motor o a un sistema la
velocidad de giro.
I-C. 3. C´
omo se integra LABVIEW con Excel para almace-
nar los datos adquiridos? LabView tiene diferentes comandos
y funciones las cuales nos facilotan exportar datos, comuni-
carnos con otros programas, entre otras cosas; una de esas
funciones se llama ’Write to measurement file Labview Excel’
la cual nos exporta los datos que se quieren guardar en excel.
I-D. 4. Qu´
e es un sistema SCADA?
Un sistema Scada en Labview es un programa que monito-
rea y controla un sistema por medio de sensoresm parametros
dados por el usuario y por lo regular se guardan los datos
censados de los sensores.
II. INTRODUCCI ´
ON
Ahora bien, disenamos el programa con las especificaciones
recomendadas por el docente, el programa debe adquirir los
datos de manera experimental en tiempo real, para esto se debe
tener claro los siguientes conceptos los cuales se necesitar´
an
para el desarrollo del laboratorio:
LabView: Labview es un software por el cual se pro-
grama graficamente, y el cual nos permite utilizar placas
de desarrollo de hadware como: Arduino, DAC, MBED,
entre otros; Estas placas se utilizan con el fin de tener
acesso a leer y escribir senales analogas y/o digitales.
Arduino: Para este laboratori´
o se utiliz´
o un Arduino
UNO, el cual tecnicamente es una placa libre la cual po-
see un micro controlador reprogramable y unas entradas
y salidas.
LINX: Es una interfaz la cual se utiliza en LabView para
comunicarse con familias de dispositivos como: Arduino,
Digilent, PJRC y Sparkfun.
LM35: El LM35 es un sensor el cual opera en un rango
desde -55 hasta 150, y su datasheet nos indica que por
grado centigrado el LM35 arroja un valo de 10mV.
PWM: El PWM (pulse-width modulation) es una senal
la cual nos permite modificar la cantidad de energia que
enviamos a una carga, en este caso al ventilador utilizado.
TIP122: El TIP122 es un transistor tipo NPN y darling-
ton, el cual usaremos para separar los 12V de la tension
del ventilador y los 5V del PWM del arduino, segun su
hoja de datos este transistor trabaja en un rango de hasta
100V-5A.
MATLAB: Matlab es un software computacional con un
lenguaje de programacion propio, este es un software
muy reconocido y potente por sus calculos para la ciencia
y la ingenier´
ıa, tambi´
en por su gran variedad de Toolbox,
las cuales son muy utiles, lo veremos m´
as adelante.
El Software LabView, ultimamente trabajado en los labora-
torio nos permite desarrollar programas donde sea necesario
el constante monitoreo de senales y la misma manipulacion de
estas, as´
ı mismo contiene funciones las cuales nos permiten
conectarnos con diferentes softwares, tambi´
en exportar datos
en Excel, entre otras funciones, pues m´
as adelante veremos
un claro ejemplo.
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Control de temperatura utilizando Labview y

Matlab Laboratorio 3

Santiago Puerta Rosero

Ingenier´ıa Electronica - Universidad Aut´onoma de Manizales

1 Diciembre del 2019

Resumen—El siguiente informe presenta el desarrollo del laboratorio no. 3 de la clase de Sistemas lineales, en el cual se trabaj´o en el software labview y Matlab, los cuales nos permiti´o tener un control en la temperatura por medio de una interfaz en LabView y, Matlab nos model´o el sistema y obtuvo la funcion de transferencia.

Palabras clave — Sistemas lineales, LM35, LabView, Arduino, LINX, Matlab, TIP122.

I. PRELABORATORIO

I-A. 1. Cu´ales son las diferencias entre un sensor digital y uno anal´ogico? Un sensor Digital se diferencia de un analogico en su senal de salida, pues el digital nos arroja ceros y unos (0 y 5V), por lo tanto es menos propenso a distorcionarse, ya que si tiene un desface de 0,5V por encima o por debajo de 0v y 5v no cambia su senal de salida, pues se toma como el mismo 1 y 0, diferente a un sensor analogo, el cual nos entrega un valor en cada instante del tiempo, por ejemplo un lm35 es un sensor analogico, y si se llega a desfasar 50mv son 5 grados centigrados de desface, estos son se exponen a m´as a distorciones y alteraciones del exterior.

I-B. 2. Qu´e es un tac´ometro? El tacometro es el encardado de medir las revoluciones de un motor o a un sistema la velocidad de giro.

I-C. 3. C´omo se integra LABVIEW con Excel para almace- nar los datos adquiridos? LabView tiene diferentes comandos y funciones las cuales nos facilotan exportar datos, comuni- carnos con otros programas, entre otras cosas; una de esas funciones se llama ’Write to measurement file Labview Excel’ la cual nos exporta los datos que se quieren guardar en excel.

I-D. 4. Qu´e es un sistema SCADA?

Un sistema Scada en Labview es un programa que monito- rea y controla un sistema por medio de sensoresm parametros dados por el usuario y por lo regular se guardan los datos censados de los sensores.

II. INTRODUCCI ´ON

Ahora bien, disenamos el programa con las especificaciones recomendadas por el docente, el programa debe adquirir los datos de manera experimental en tiempo real, para esto se debe tener claro los siguientes conceptos los cuales se necesitar´an para el desarrollo del laboratorio:

LabView: Labview es un software por el cual se pro- grama graficamente, y el cual nos permite utilizar placas de desarrollo de hadware como: Arduino, DAC, MBED, entre otros; Estas placas se utilizan con el fin de tener acesso a leer y escribir senales analogas y/o digitales.

Arduino: Para este laboratori´o se utiliz´o un Arduino UNO, el cual tecnicamente es una placa libre la cual po- see un micro controlador reprogramable y unas entradas y salidas.

LINX: Es una interfaz la cual se utiliza en LabView para comunicarse con familias de dispositivos como: Arduino, Digilent, PJRC y Sparkfun.

LM35: El LM35 es un sensor el cual opera en un rango desde -55 hasta 150, y su datasheet nos indica que por grado centigrado el LM35 arroja un valo de 10mV.

PWM: El PWM (pulse-width modulation) es una senal la cual nos permite modificar la cantidad de energia que enviamos a una carga, en este caso al ventilador utilizado.

TIP122: El TIP122 es un transistor tipo NPN y darling- ton, el cual usaremos para separar los 12V de la tension del ventilador y los 5V del PWM del arduino, segun su hoja de datos este transistor trabaja en un rango de hasta 100V-5A.

MATLAB: Matlab es un software computacional con un lenguaje de programacion propio, este es un software muy reconocido y potente por sus calculos para la ciencia y la ingenier´ıa, tambi´en por su gran variedad de Toolbox, las cuales son muy utiles, lo veremos m´as adelante.

El Software LabView, ultimamente trabajado en los labora- torio nos permite desarrollar programas donde sea necesario el constante monitoreo de senales y la misma manipulacion de estas, as´ı mismo contiene funciones las cuales nos permiten conectarnos con diferentes softwares, tambi´en exportar datos en Excel, entre otras funciones, pues m´as adelante veremos un claro ejemplo.

III. OBJETIVOS

III-A. Afianzar de manera pr´actica los conceptos vistos sobre funci´on de transferencia..

III-B. Calcular de manera experimental la funci´on de trans- ferencia de un sistema de control.

III-C. Identificar los elementos de entrada y salida de un sistema de control real.

IV. MATERIALES

Arduino Nano. LM35. Pelacables. Protoboard. ventilador. led. TIP122. Resistencias varias. Fuente de voltaje(´o bateria 12V). Bombillo incandescente y plaf´on (Para calentar el sensor)

V. PROCEDIMIENTO

El desarrollo de este laboratorio est´a dado en dos etapas, en donde primeramente se diseno y programo en LabView un programa para el control de temperatura, censado de datos y exportacion de datos censados, el cual el usuario por medio del teclado ingresar´a un valor para el PWM, el cual tendr´a control sobre el ventilador, un sensor analogo LM35, ser´a le´ıdo por el programa, el cual le tomaremos los datos a la temperatura y a el PWM, posterior a esto, se logr´o comunicar el arduino con LabView, por medio del interfaz LINX, la cual nos ayud´o para tomar los datos del sensor de temperatura(LM35) y dar la senal del PWM; este ventilador, al ser un componente que consuma m´as voltaje y corriente, su voltaje fue aislado por medio de un transistor TIP122. Y la segunda parte ser´a ingresar los datos a MATLAB, el cual nos modelar´a el sistemas y no dar´a la funci´on de transferencia

V-A. DISENO DEL PROGRAMA EN LABVIEW

Se diseno una interfaz Scada en Labview donde se controla el PWM y se monitorea la temperatura en tiempo real, este PWM tendr´a salida por uno de los pines digitales del Arduino Nano, el sensor ser´a leido por uno de los pines analogicos del Arduino, entonces as´ı tendriamos los dos elementos de entrada (PWM) y salida (Temperatura), los cuales fueron guardados en excel por el comando en labview ’Write to measurement file Labview Excel’, para luego modelar el sistema en Matlab. Posterior a esto, se realiz´o el montaje del arduino, el ventilador con el TIP122, el sensor y el bombillo para calentar el sensor hasta donde arroje una maxima temperatura y lograr un cambio notorio de temperatura, al aumentar el pwm del ventilador redujo la temperatura segun la frecuencia del PWM arrojada por el arduino que al pasar el tiempo fue mayor. Cabe resaltar que para el manejo del PWM se manej´o un comando de LabView llamado ’Digital Write Square Wave’,

Figura 1. Diseno del Programa en LabView(vista usuario)

Figura 2. Diseno del Programa en LabView(programacion)

por el cual se le envi´o al ventilador difenrentes frecuencias y se concluy´o que trabaja a maxima potencia a 20Hz, por lo tanto se hizo un control numerico de 0 a 100 y se multiplic´o por 0,2 para obtener los 20Hz como maxima frecuencia a enviar al ventilador.

El esquema del montaje realizado, se puede apreciar a continuaci´on:

aplicacion nos permite modelar el sistema por medio de una matriz, la cual importamos desde excel(Datos exportados por LabView del valor del PWM y la temperatura), veremos la grafica de los datos censados:

Figura 7. Grafica Temperatura Vs PWM(0-20Hz).

Estos datos se importan a Matlab y se procede a calcular la funcion de transferencia por medio del ’System Identification’ y de un codigo, esto nos arroj´o como resultado:

Figura 8. System Identification.

Tambi´en por medio de una funcion se encontr´o los valores de las constantes para un PID:

Figura 9. Codigo y Funcion de Transferencia.

Figura 10. Constantes del PID.

VII. C ONCLUSIONES

  1. LabView es un software muy amplio, el cual nos per- mite programar y controlar cualquier sistema el cual requiera de un monitoreo o de algun proceso que se desee automatizar, as´ı como el Scada realizado en este laboratorio, guardar datos censados para luego tratarlos en otro software.
  2. Se concluy´o que mediante LabView podemos tratar con senales analogas y digitales, las cuales podemos convertir, graficar e incluso conectar y guardar datos, con softwars como MATLAB, ARDUINO, entre otros.
  3. Se comprendi´o la importancia del manejo de diferentes softwares como herramienta en la ingenier´ıa, as´ı como se model´o un sistema pequeno y con bastante alteracion por el medio se puede controlar un sistema y modelarlo a grandes sistemas y grandes cargas, utilizando los

circuitos electronicos adecuados para esto, ya que el software trabajado es muy amplio y nos permite realizar excesivos procesos.

REFERENCIAS

[1] https://www.labviewmakerhub.com/

[2] https://www.onsemi.com/pub/Collateral/TIP120-D.PDF

[3] https://es.mathworks.com/products/sysid.html/