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DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y PUESTA A PUNTO DE LA PLANTA PLACA-VENTILADOR DEL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA DE LA UAO DANIEL ARTURO GIRALDO VILLA CRISTIAN ANDRÉS VERA MENDOZA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA PROGRAMA INGENIERIA MECATRÓNICA SANTIAGO DE CALI 2017

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y PUESTA A PUNTO DE LA

PLANTA PLACA-VENTILADOR DEL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA DE LA UAO

DANIEL ARTURO GIRALDO VILLA

CRISTIAN ANDRÉS VERA MENDOZA

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA PROGRAMA INGENIERIA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2017

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y PUESTA A PUNTO DE LA

PLANTA PLACA-VENTILADOR DEL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA DE LA UAO

DANIEL ARTURO GIRALDO VILLA CRISTIAN ANDRÉS VERA MENDOZA

Proyecto de Grado para optar el título de

Ingeniero Mecatrónico

Director

JIMMY TOMBÉ ANDRADE Ingeniero electricista

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA

PROGRAMA INGENIERIA MECATRÓNICA SANTIAGO DE CALI

2017

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado

en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar

al título de Ingeniero Mecatrónico

DIEGO FERNANDO ALMARIO Jurado

JESÚS ALFONSO LÓPEZ SOTELO Jurado

Santiago de Cali, 17 de marzo de 2017

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AGRADECIMIENTOS

Debo agradecer de manera especial y sincera a mis padres Luis Francisco Vera y Blanca Cecilia Mendoza, por apoyarme y confiar en mí en todo momento, por haberme forjado como la persona que soy en la actualidad; muchos de mis logros se los debo a ustedes entre los que se incluye este. Me formaron con reglas y libertades, pero al final de cuentas, me motivaron constantemente para poder alcanzar mis sueños. Agradezco también a mi hermana Ana María Vera que siempre ha estado ahí para mí sin importar que momento este atravesando, la cual es la persona que me da la motivación para salir adelante y por la que quiero y lograre todas mis metas. Por ultimo quiero agradecer a mis amigos, en especial a Juan Antonio Garcés, que a pesar de que ya no se encuentra aquí, es alguien muy importante que me marcó y definió como persona. Este y todos mis logros de aquí en adelante serán dedicado a él. Plasmo acá la frase que me guía y me identifica en todo lo que hago “Amat Victoria Curam” que significa “La victoria favorecen a los que se preparan”.

- Cristian Andrés Vera Mendoza Agradezco enteramente a Dios y a mi familia, mis padres Arturo Giraldo y Blanca Lucía Villa, mis abuelos Julio Villa y Blanca Castaño, y a todos mis demás parientes que me han apoyado a través de este tiempo de mi preparación profesional. Además, pero no menos importante, agradezco a mi hermana Isabella Díaz por todo su apoyo incondicional y por brindarme la fuerza, cariño y motivación que requerí para culminar mi estudio profesional.

- Daniel Arturo Giraldo Villa

Un agradecimiento singular al Profesor Jimmy Tombé que, como director de esta tesis, nos ha orientado, apoyado y corregido en nuestra labor con un interés y entrega que sobrepasa la confianza depositada.

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CONTENIDO

Pág.

RESUMEN 17

INTRODUCCION 19

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 20

2. JUSTIFICACIÓN 21

3. ANTECEDENTES 23

4. MARCO TEORICO 28

5. OBJETIVOS 36

5.1 OBJETIVO GENERAL 36

5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 36

6. METODOLOGIA 37

6.1 ETAPAS DEL PROYECTO 38

7. DESARROLLO CONCEPTUAL 40

7.1 IDENTIFICACION DE NECESIDADES 40

7.2 ANALISIS QFD 42

7.3 GENERACION DE CONCEPTOS 43

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7.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS 51

8. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 54

8.1 INTERACCIONES FUNDAMENTALES 56

8.2 INTERACCIONES INCIDENTALES 58

9. DISEÑO INDUSTRIAL 59

9.1 NECESIDADES ERGONÓMICAS Y ESTÉTICAS 59

9.2 ASPECTOS DE SEGURIDAD 60

9.3 EVALUACION DE NECESIDADES ERGONÓMICAS Y ESTÉTICAS 61

9.4 EVALUACION DE LA CALIDAD DEL DISEÑO INDUSTRIAL 62

10. DISEÑO PARA MANUFACTURA 64

10.1 COSTOS DE COMPONENTES 64

10.2 COSTOS DE ENSAMBLE 64

10.3 COSTOS FIJOS 65

11. PROTOTIPADO 67

11.1 PLANEACION PROTOTIPADO 68

12. ANALISIS QFD II 70

13. DISEÑO DETALLADO 73

13.1 DOCUMENTACION ELÉCTRICA 73

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13.2 ESQUEMA MECANICO Y ENSAMBLE 80

14. PLAN DE VALIDACION 89

15. DISEÑO PARA EL MEDIO AMBIENTE 94

16. DISEÑO PARA ENSAMBLAJE (DPE) 96

16.1 INTEGRACION DE PARTES 96

16.2 MAXIMIZACIÓN DE LA FACILIDAD DE ENSAMBLAJE 96

16.3 ENSAMBLE POR PARTE DEL USUARIO 96

17. DISEÑO SISTEMA DE CONTROL 97

17.1 CARACTERIZACIÓN DE LA PLANTA 99

17.2 CALCULO DE CONTROLADORES 102

18. RESULTADOS 108

19. DISEÑO SISTEMA DE COMUNICACIÓN 114

20. RESTRICCIONES DE USO 116

21. CONCLUSIONES 117

BIBLIOGRAFÍA 119

ANEXOS 122

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LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Necesidades del cliente 40 Tabla 2. Métricas de las necesidades 41 Tabla 3. Criterio NUD 41 Tabla 4. Criterio KANO 42 Tabla 5. Productos existentes en el mercado 42 Tabla 6. Análisis QFD 43 Tabla 7. Matriz de tamizaje de conceptos 51 Tabla 8. Matriz de tamizaje 2 52 Tabla 9. Matriz de tamizaje 3 53 Tabla 10. Costos Primarios 65 Tabla 11. Costos Finales 66 Tabla 12. Matriz de prioridades 67 Tabla 13. QFD II 71 Tabla 14. QFD Subsistema 72 Tabla 15. Elementos de la planta placa venti lador 86 Tabla 16. Resultado de las interacciones 89 Tabla 17. Resultados de exactitud. 90 Tabla 18. Resultados de mantenimiento 92 Tabla 19. Matriz SLCA 94

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LISTA DE ILUSTRACIONES

Pág. Ilustración 1. Componentes de Hardware y software para el sistema de prototipado rápido de control para una planta didáctica motor DC 23 Ilustración 2. Proceso placa ventilador 24 Ilustración 3. Dispositivo de placa ventilador KRi 25 Ilustración 4. Diagrama de bloque del dispositivo de control del proceso placa-ventilador 26 Ilustración 5. Retroalimentación con un controlador PID 26 Ilustración 6. Sistema de control en lazo abierto 29 Ilustración 7. Sistema de control en lazo cerrado 29 Ilustración 8. Sistema de medida 31 Ilustración 9. Visualizador 34 Ilustración 10 . Registrador 34 Ilustración 11. Caja Negra del sistema 44 Ilustración 12. Descomposición Funcional 44

Ilustración 13. Tornillo sin fin de rueda dentada 46 Ilustración 14. Arduino Mega ADK 46 Ilustración 15. Mecanismo cremallera piñón 47 Ilustración 16. Raspberry PI 48 Ilustración 17. Transmisión tornillos tuerca 49 Ilustración 18. Beaglebone Black 49 Ilustración 19. Tornillo sin fin de bola recirculante 50

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Ilustración 20. Paquete de Matlab, Simulink (plataforma de simulación multidominio) 50 Ilustración 21. Descomposición Funcional Mejorada 54 Ilustración 22. Relación Elementos Físicos y Elementos Funcionales 56 Ilustración 23. Agrupación de funciones y elementos 57 Ilustración 24. Interacciones incidentales 58 Ilustración 25. Evaluación de necesidades 61 Ilustración 26. Dirección del proceso de diseño industrial 61 Ilustración 27. Valorización de diseño industrial 62

Ilustración 28. Fuente switcheada 12V 73 Ilustración 29. Fuente Parte Lógica 5V 75 Ilustración 30. Motorreductor DC 76 Ilustración 31. Motor DC sin caja reductora 77 Ilustración 32. Controlador Dual 78 Ilustración 33. Modulo bluetooth hc-06 79 Ilustración 34. Partes planta placa ventilador 80 Ilustración 35. Parte 2 planta placa ventilador 81 Ilustración 36. Partes planta placa ventilador 82 Ilustración 37. Parte planta placa ventilador 83 Ilustración 38 Partes 5 planta placa ventilador 84 Ilustración 39 Partes 6 planta placa ventilador 85 Ilustración 40. Conexión computador planta con Arduino como tarjeta de adquisición de datos. 97 Ilustración 41. Curva de reacción utilizada por Stark 98

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Ilustración 42. Caracterización de la planta 100

Ilustración 43. Método Stark 101 Ilustración 44. Respuesta de la función de transferencia 102 Ilustración 45. Diagrama de bloques de observador continúo. 104 Ilustración 46. Diagrama de bloques de observador discreto. 105 Ilustración 47. Diagramas de bloque de controlador PID 107 Ilustración 48. Simulación de controlador con observador continuo 108 Ilustración 49. Simulación nueva para controlador con observador continuo 109 Ilustración 50. Respuesta Observador Continuo 110 Ilustración 51. Respuesta observador discreto. 111 Ilustración 52. Respuesta PID 112 Ilustración 53. Respuesta PID implementado en plataforma Arduino 112 Ilustración 54. Menú principal del aplicativo. 115

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LISTA DE ANEXOS

Pág. Anexo A. Código para el cálculo del controlador con variables de estado continuo Matlab. 122 Anexo B. Código para el cálculo del controlador con variables de estado discreto Matlab. 123 Anexo C. Código para el cálculo del controlador PID Matlab. 124 Anexo D. Código controlador PID implementado en Arduino 125 Anexo E. Planta Placa Ventilador finalizada 128 Anexo F. Esquema de conexiones 129

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GLOSARIO

ADQUISICIÓN DE DATOS: la adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con una PC un fenómeno eléctrico o físico como tensión, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de medidas DAQ y una PC con software programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.

ARDUINO: es una plataforma de hardware de código abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analógicas y digitales, en un entorno de desarrollo que está basado en el lenguaje de programación C++. ARQUITECTURA INTEGRAL: es una arquitectura con un alto grado de interdependencia entre los componentes, se trata de poner varias funciones en un solo elemento.

ARQUITECTURA MODULAR: es una arquitectura con un bajo grado de interdependencia entre los componentes, la mayoría de elementos tienen una única función. CORRIENTE ELECTRICA: consiste en el movimiento de los electrones y los efectos que este movimiento produce en un conductor, en el aire o en el entorno. Es la tasa de flujo de carga que pasa por un determinado punto de un circuito eléctrico, medido en Culombios/segundo, denominado Amperio. ENGRANAJE: conjunto de ruedas dentadas y piezas que encajan entre sí y forman parte de un mecanismo o de una máquina. Es empleado para transmitir un movimiento giratorio o alternativo desde una parte de una máquina a otra. ERROR: diferencia entre un valor deseado y el valor real. ESTADO: condición por la cual la acción de un proceso queda en suspenso a la espera de una entrada.

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EXACTITUD: grado de concordancia entre el resultado de una medición y un valor verdadero del mensurando. FRICCIÓN: es la fuerza entre dos superficies en contacto, que se opone al movimiento entre ambas superficies (fricción dinámica) o se opone al inicio del movimiento (fricción estática).

FUERZA: se puede definir desde el punto de vista dinámico como la causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. También se puede definir como la causa capaz de producir deformaciones en los sistemas sobre los que actúa. GUI: interfaz gráfica para el usuario (Del inglés “graphical user interface”). INFORMACIÓN: resultado del análisis o de la interpretación de los datos. INTERFAZ: tarjeta, conector u otro dispositivo que conecta elementos de hardware con la computadora, de modo que la información pueda ser transferida de un punto a otro. En informática se define como un software que permite a un programa interactuar con el usuario, con otro programa como el sistema operativo, o con el hardware de la computadora. LÓGICA DIFUSA: lógica utilizada en sistemas expertos y en inteligencia artificial en los que las variables pueden tener distinto grado de ser verdaderas o ser falsas, representado por un rango de valores comprendido entre 1 (verdadero) y 0 (falso), y en los que la salida de una operación puede expresarse como una probabilidad y no como una certeza. MATLAB: es un sistema de programación y cálculo basado en la manipulación de matrices. MOTOR ELECTRICO: es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores.

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MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA: motor eléctrico que se alimenta con corriente continua, los diferentes tipos de motores CC son: el de serie, el compuesto y el de imán permanente. PIÑÓN: rueda dentada de menor tamaño uti lizado en las transmisiones de movimiento, junto con el engranaje. PRECISIÓN: se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN: se trata del conjunto de pautas que posibilitan que distintos elementos que forman parte de un sistema establezcan comunicaciones entre sí, intercambiando información. RESOLUCIÓN: en televisión o dispositivos de presentación visual, número de pixeles en las dos dimensiones. En instrumentación es una medida de la precisión con la que un sistema puede diferenciar entre las magnitudes de dos muestras de una señal. ROTACIÓN: desplazamiento angular de un cuerpo rígido, en otras palabras, un movimiento del cuerpo teniendo un punto fijo. SENSIBILIDAD: mínima señal de entrada necesaria para producir una señal de salida especificada. En redes neuronales se entiende como la capacidad que tiene una prueba para detectar los que tienen la condición buscada en una población, es decir, los verdaderos positivos. SENSOR: dispositivo sensible a una determinada magnitud física ambiental y capaz de transformarla en una señal, generalmente eléctrica, destinado a medida, grabación o control. SEÑAL: una señal es una variación de la corriente eléctrica o de otra magnitud que se utiliza para transmitir información.

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SOLIDWORKS: es un software CAD (diseño asistido por computadora) para modelado mecánico en 3D.

TENSIÓN: potencial eléctrico, trabajo que ha de hacerse contra las fuerzas eléctricas para llevar una unidad de carga desde un punto de referencia hasta el punto en cuestión se simboliza con la letra “V”.

TORQUE: el torque puede entenderse como el momento de fuerza o momento dinámico. Se trata de una magnitud vectorial que se obtiene a partir del punto de aplicación de la fuerza. Se mide en Newtons/metro. TRANSMISIÓN MECÁNICA: es el mecanismo encargado de enviar o trasmitir la potencia de un motor a alguna otra parte, con el objetivo de mover el vehículo o mover piezas internas necesarias para su correcto funcionamiento.

VARIABLE: símbolo que representa el conjunto de valores que puede tomar una determinada magnitud.

VELOCIDAD: magnitud física que expresa el espacio recorrido por un objeto en la unidad de tiempo.

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RESUMEN

Es claro para la mayoría de las personas que el fenómeno de la globalización y las nuevas tecnologías son elementos vitales para la modernización de los procesos industriales de tal forma que se consiga cada vez productos de mejor calidad, en menor tiempo posible, con el menor desperdicio posible y evitando la menor intervención humana posible de esta forma prevenir riesgos y accidentes. Todos estos factores hacen a una empresa más competitiva en el mercado global como en el que nos encontramos hoy en día. Por esto una de las medidas que se tomaron para mejorar esta condición fue implementar proyectos de control semiautomáticos o en su defecto totalmente automático, en la mayoría de los procesos industriales en los cuales predominaba la operación manual de esta forma obteniendo errores de operación, gran desperdicio de material, mayores tiempos de producción entre otras cosas. Con lo dicho anteriormente es importante que los estudiantes posean equipos, espacios y herramientas que permitan prepararse para dicha modernización de los procesos industriales, por tal motivo se decidió adecuar nuevamente la planta Placa Ventilador para su correcto funcionamiento, con el objetivo obtener los mejores resultados en la enseñanza de control, utilizando las tecnologías actuales como métodos de aprendizaje. Por medio del proceso de diseño concurrente se logró obtener las principales características para el dispositivo diseñado: identificación de métricas y necesidades y los QFD del dispositivo a niveles de: métrica, necesidad, sistema y subsistema. Continuando de esta manera con la metodología de diseño concurrente se realizó una descomposición funcional, que nos permitió encontrar los sistemas que debía tener el dispositivo deseado, así como generar unos conceptos que serían las posible soluciones al problema planteado llevando por etapas de selección de conceptos la cual pasa a evaluar por medio de una matriz de tamizaje donde se realiza una reestructura de los conceptos generados inicialmente refinando ajuste con intención de optimizar el desempeño del dispositivo de manera que garantice las necesidades preliminares y a las variables que afecten el proceso de fabricación y el producto presentado al usuario. Una vez realizado el proceso de evaluación, selección y combinación de los conceptos se realiza la evaluación del diseño generado mediante las metodologías DPX para manufactura, ensamble mantenimiento y la integración de interfaces para mostrar un diseño más detallado listo para un posible rediseño en las simulaciones en CAD, la cual genera una idea clara de forma del dispositivo.

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Se incluyeron la ejecución del plan de validación del diseño mediante el cual se realizan las pruebas pertinentes para verificar condiciones de trabajo óptimas, desempeño mecánico y dinámico del sistema, entre otros. También se realiza un análisis de los posibles modos de falla que puede poseer el sistema en condiciones normales de trabajo junto con su medida de corrección. Por último se presenta un mejor diseño para manufactura y ensamble, y la evaluación del diseño sobre el impacto medio ambiental y se brindan consideraciones para reducir los costos de producción y operación, afectaciones al medio ambiente a la hora de ser llevado el producto al mercado. Palabras Clave: Procesos industriales, globalización, proyectos de control, tiempos de producción, diseño concurrente, descomposición funcional, generación de conceptos, interfaces, simulaciones.

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INTRODUCCION

Comentar sobre control y automatización parecería exclusivo de personas que han podido disfrutar de los últimos adelantos en ciencia y tecnología, a pesar de esto, los conceptos como automatización datan de hace algunos siglos. Desde el regulador de temperatura propuesto por Cornelis Drebbel en 1624, hasta los adelantos matemáticos por parte de Pierre Simón Laplace y Jean Baptiste Fourier en el siglo XVIII y XIX, y la invención de herramientas electrónicas y computacionales a partir de la segunda guerra mundial, se lograron fundar las bases para las teorías de control clásica y moderna o también llamado control multivariable. La automatización y control de plantas y dispositivos, son una situación recurrente en el panorama industrial actual, por lo cual se convierte en una de las asignaturas imprescindibles impartidas en la educación ingenieril relacionada con la industria y procesos. Por esto en la Universidad Autónoma de Occidente se imparten clases teóricas y prácticas con el fin de que el estudiante pueda afianzar sus conocimientos en el control de procesos y plantas a nivel industrial. Sin embargo algunos de los equipos los cuales la universidad usa para afianzar dichos conocimientos se encuentran averiados, uno de estos es la planta placa-ventilador, la cual presenta fallas a nivel de componentes electrónicos y carece de un conjunto de sistemas de control capaces de brindar a los usuarios una experiencia de aprendizaje óptima para su desarrollo profesional. Por esto se pretende adecuar nuevamente desde el punto de vista electrónico, sistema de control y potencia de la planta para lograr el cumplimiento de las funciones con las que fue diseñada.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la universidad, para un buen aprendizaje se necesita que los estudiantes posean equipos, espacios y herramientas que permitan afianzar sus conceptos en las diferentes áreas del conocimiento que se estudien. Una de estos espacios es el laboratorio de automática donde los estudiantes cuentan con diferentes tipos de motores, PLC, plantas y procesos industriales en los cuales se pueden desarrollar y poner en práctica conceptos de las materias de control, electrónica, el diseño y programación de sistema algorítmicos para solución de necesidades. Sin embargo, algunos de estos equipos de desarrollo y simulación se encuentran averiados, este es el caso de la planta Placa Ventilador la cual presenta deterioros en algunos de sus componentes físicos como el sistema de control, etapa de potencia para motores, conexiones externas, entre otros. Por esto es importante resolver a la incógnita ¿cómo adecuar la planta Placa Ventilador para su correcto funcionamiento, obteniendo los mejores resultados en la enseñanza de control, utilizando las tecnologías actuales como métodos de aprendizaje?

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2. JUSTIFICACIÓN

En una gran parte del sector industrial a nivel nacional y casi en totalidad a nivel internacional en los países desarrollados, las empresas implementan procesos y tecnologías que poseen un nivel de automatización elevado. Por esto el conocimiento tanto teórico como práctico en material de control y automatización es de vital importancia para el ingeniero en formación, con el fin de poseer un abanico de competencias que le permitan obtener un perfil profesional deseable para las empresas del sector industrial. Para que estas competencias tengan un elevado porcentaje frente al estándar, el centro de educación y formación, en este caso la universidad Autónoma de Occidente, debe brindar al estudiantado el mejor método de enseñanza teórica y práctica. En la práctica, el estudiante debe entender cómo funcionan los procesos, equipos y dispositivos a nivel industrial. Esto con el fin de lograr que el estudiante diseñe e implemente algoritmos de control que pueda solucionar este tipo de problemas. Para esto la universidad cuenta con equipos de simulación y prueba, con los que el personal puede obtener y verificar resultados de sus análisis, uno de estos equipos es la planta Placa-Ventilador. Al ser esta planta puesta en marcha nuevamente con sus respectivas funciones y algoritmos de control diseñados para su correcto trabajo, el estudiante contará con un nuevo reto y proyecto de desarrollo que servirá para el aterrizaje del conocimiento teórico adquirido. Además, en su tipo, la planta placa-ventilador es la única que posee la universidad Autónoma de Occidente, mientras que equipos y plantas de proceso basadas en el control de variables como velocidad de un motor, temperatura del aire, flujo de aire, entre otras, existen de varias clases en el área del laboratorio de automática. Esto conlleva a ser un elemento de innovación para este sector de los laboratorios de ingeniería, y que a su vez puede incentivar la creatividad y curiosidad de los ingenieros en formación para explorar nuevas y más eficientes formas de automatización que ya han sido probadas en las demás plantas y equipos que tiene la universidad. Aparte de ser un elemento de prueba y refutación teórica en el área de control clásico y moderno, también es un objeto de estudio en áreas del conocimiento cómo instrumentación, electrónica digital y análoga, diseño lógico y programación

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de software. Esto se debe principalmente a la utilización de componentes electrónicos, mecánicos y eléctricos como sensores de posición angular, tacómetro, motor de corriente continua, microcontroladores, fuente de voltaje, etapa de potencia y acondicionamiento de señales, que pueden ser uti lizadas para la prueba, obtención y verificación de hipótesis en las áreas del conocimiento mencionadas. Por todo lo anteriormente enunciado, la puesta en marcha con las prestaciones iniciales que poseía la placa-ventilador, se convierte en un elemento que podría generar diferencias positivas en las competencias profesionales del estudiante y por tanto en la mejora del nivel de educación prestado por la universidad Autónoma de Occidente.

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3. ANTECEDENTES

Sistema de prototipado rápido de control para una planta didáctica motor dc.

Presenta el diseño, implementación y validación de una plataforma de prototipado rápido de control (RCP por sus siglas en inglés) para una planta motor DC. Compuesto físicamente por un PC, tarjeta electrónica, motor DC y sensores. A nivel de software, el sistema se encuentra basado en el uso de herramientas libres como Linux, Scilab/Scicos y RTAI-Lab. Esta plataforma permite desarrollar prácticas de control de velocidad y posición, usando controladores de tipo PID industriales y observar fenómenos como el Wind Up y Bump Transfer. Ilustración 1. Componentes de Hardware y software para el sistema de prototipado rápido de control para una planta didáctica motor DC

Fuente: BAZÁN OROBIO, Cristian y FLÓREZ MARULANDA, Juan F. Sistema de prototipado rápido de control para una planta didáctica Motor DC. Popayán, Colombia. p.5. Diseño de un control PID robusto para un proceso placa-ventilador. Presenta el método para obtener la ecuación característica en un proceso de placa-ventilador utilizando la respuesta al escalón integral (ISR por sus siglas en inglés) y el controlador PID diseñado para esta planta basando en el método de localización de las raíces del sistema. El proceso de placa-Ventilador es altamente no lineal, la posición angular de la placa es modificada por el viento proveniente del ventilador que es controlado por un motor DC. La posición angular es medida mediante un potenciómetro que es utilizada en un circuito divisor de voltaje con el fin de enviar la señal de retroalimentación al ciclo de control.

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Ilustración 2. Proceso placa ventilador

Fuente: BAZÁN OROBIO, Cristian y FLÓREZ MARULANDA, Juan F. Sistema de prototipado rápido de control para una planta didáctica Motor DC. Popayán, Colombia. p. 9.

Dispositivo de control para proceso de placa ventilador hecho por kri. El dispositivo es un objeto resonante aerodinámicamente, el objetivo de control es la posición angular de una placa rectangular con el envío de corrientes de aire a la placa mediante la velocidad variable de un ventilador. El ventilador es manejado por la modulación por ancho de pulso de un motor DC, mientras el ángulo de rotación es medido mediante un potenciómetro de baja fricción. El ventilador y motor se encuentran montados sobre una plataforma deslizante, el retraso en el transporte del aire es modificado con la variación de la posición relativa del ventilador y la placa. Los pesos adicionales que pueden ser puestos en la placa cambian la constante de tiempo del sistema y además actúan como una carga perturbadora. La turbulencia en el aire alrededor del plato provee naturalmente una perturbación estocástica.

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Ilustración 3. Dispositivo de placa ventilador KRi

Fuente: KW, Lim y KK, Sin. Teaching with the KRi Fan and Plate control apparatus Model PP-200. KentRidge Instruments Pte Ltd. Applicaction Note ref FP-200. 1995. p. 7.

La figura a continuación, es el diagrama de bloque del principal subsistema del dispositivo. El primer bloque a la izquierda representa el venti lador y la dinámica de la etapa de potencia. La entrada de este bloque es una señal de voltaje DC en el rango de 0-5 volts. El segundo bloque representa la dinámica del flujo de aire. Esto es principalmente un retraso de transporte, esta magnitud es variada mediante la variación de la posición física del ventilador. La entrada de perturbación representa la turbulencia del aire o un torque externo aplicado a la placa. El tercer bloque representa la dinámica de la placa. La salida es la posición angular de la placa.

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Ilustración 4. Diagrama de bloque del dispositivo de control del proceso

placa-ventilador

Fuente: KW, Lim y KK, Sin. Teaching with the KRi Fan and Plate control apparatus Model PP-200. KentRidge Instruments Pte Ltd. Applicaction Note ref FP-200, 1995. p. 9. En el dispositivo, la variable de proceso (PV) es la posición angular de la placa la cual es llevada a la posición deseada. Esto se realiza mediante la variación de la variable manipulada (MV). Para este proceso, la MV es el vol taje de entrada al motor del ventilador. El proceso puede estar sujeto a perturbaciones como torques externos en la placa. Ilustración 5. Retroalimentación con un controlador PID

Fuente: KW, Lim y KK, Sin. Teaching with the KRi Fan and Plate control apparatus Model PP-200. KentRidge Instruments Pte Ltd. Applicaction Note ref FP-200, 1995. p. 9

La figura anterior muestra el diagrama de bloques del dispositivo retroalimentado con un controlador PID. Para el uso efectivo del controlador PID, es necesario entender el funcionamiento de cada uno de los tres parámetros. Por tanto, es necesaria la afinación del controlador mediante la selección de la ganancia proporcional, el tiempo de reajuste y el tiempo derivativo. Estos tres parámetros son seleccionados para garantizar los objetivos definidos. Estas metas típicamente

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requieren una respuesta de la planta con el mínimo error en estado estacionario, insensibilidad a perturbaciones en la carga y una respuesta transitoria aceptable a variaciones en las condiciones de set point y demás perturbaciones.

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4. MARCO TEORICO

Instrumentación. La instrumentación es el estudio de la tecnología empleada en control de procesos industriales. La instrumentación trata en forma particular los diferentes elementos de control de procesos industriales, como sensores, transductores, transmisores, controladores, indicadores, registradores, convertidores de señal y elementos finales de control. Para cada componente se estudian los diferentes tipos existentes, los detalles de su construcción y sus aplicaciones; Por ejemplo, para medir la temperatura se pueden uti lizar, según la aplicación un, termopar, pirómetro, termistor, detectores resistivos de temperatura (RTD), etc. También se analiza para cada aplicación si convienen más los instrumentos neumáticos o los electrónicos, los analógicos o los digitales. Teoría de Control. Se encarga de estudiar el comportamiento dinámico y estático de los sistemas físicos, químicos, térmicos, ópticos, eléctricos, etc. Analizando su estabilidad absoluta y relativa, como el error resultante, todo con el fin de optimizar su respuesta por medio de dispositivos de control. Proceso. Serie de pasos graduales que se realizan para llegar a una determinada meta. Planta. Es un elemento físico, constituido por una serie de piezas que funcionan conjuntamente y cuyo objetivo es realizar una operación determinada. Sistema de Control. Es una interconexión de componentes actuando en forma conjunta con el fin de regular, dirigir o comandar una cierta energía que entra a un sistema para entregar una respuesta lo más cercana a lo que se desea de él. Existen dos grandes clasificaciones que son: los sistemas de control de lazo abierto y los sistemas de control de lazo cerrado. Sistemas de control de lazo abierto. Se refiere a los sistemas de control donde no existe una comparación entre lo que se desea y lo que se obtiene a la salida de la planta, en otras palabras la salida del sistema no ejerce ningún efecto sobre la acción de control, por lo tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. En este tipo de sistema la exactitud y el correcto funcionamiento del mismo dependen de la calibración del elemento controlador. Una de las principales desventajas de los sistemas de control en lazo abierto es que son fácilmente afectados por cualquier tipo de perturbación.

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Ilustración 6. Sistema de control en lazo abierto

Fuente: MENA, Juan Carlos. Conceptos básicos de control y aplicaciones. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería, 2016. p.1. Sistemas de control de lazo cerrado. Se refiere a los sistemas de control en los cuales se compara la salida de la planta, o sea el valor de la variable controlada, con un valor deseado o señal de mando, y si existe algún error o diferencia entre estas dos señales, el compensador se encarga de tomar las acciones tendientes a contrarrestar esa diferencia. La realimentación proviene del hecho de tomar el valor de la salida la planta y compararlo con el valor de entrada o de referencia. [Mora, 1980]. Ilustración 7. Sistema de control en lazo cerrado

Fuente: MENA, Juan Carlos. Conceptos básicos de control y aplicaciones. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería, 2016. p.2. Variables o Señales del Sistema. Cantidad que puede ser modificada o que está sujeta a cambio en el proceso, y pueden ser de cualquiera de estos tipos: mecánica, eléctrica, magnética, térmica, óptica y química.

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Señal de Mando. Es el valor en el cual se desea que la planta funcione, por ejemplo si la planta es un motor al cual se le quiere controlar la velocidad, la señal de mando es el valor en RPM al cual debe girar el motor. Esta señal es modificada por el elemento de entrada.

Variable Controlada. Es la cantidad que se quiere controlar en la planta, por ejemplo si la planta es un motor al cual se le quiere controlar la velocidad, la variable controlada es el valor en RPM a los cuales está girando el motor. Esta señal es medida por el elemento de realimentación.

Elemento de Entrada. Es el elemento encargado de convertir la señal de mando en una señal acondicionada y compatible en el comparador. Esta señal acondicionada por lo general en la industria es un estándar de 4 -20mA o 0 - 5v en señales eléctricas y 3-15 psi en señales neumáticas. Elemento de Realimentación o Sistema de Medida. Es la combinación de dos o más elementos, subconjuntos y partes necesarias para realizar la medida de la señal a controlar. Al igual que el elemento de entrada, este debe entregar una señal acondicionada y compatible en el comparador, o sea es el encargado de convertir la variable controlada en una señal estándar en la industria, por ejemplo si se desea controlar la velocidad del motor entre 0 y 1000 RPM, el sensor debe entregar una señal eléctrica de corriente o voltaje entre 4-20mA o 0 – 5V respectivamente, o si la señal es neumática entre 3 –15psi. El esquema general de un sistema de medida puede verse en la figura, donde se aprecia que en el proceso de medida incluye además de la adquisición de la información realizada por el elemento primario, sensor o transductor, el procesamiento de dicha información de tal forma que se obtenga una señal normalizada por medio del transmisor o acondicionador de señal.

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Ilustración 8. Sistema de medida

Fuente: MENA, Juan Carlos. Conceptos básicos de control y aplicaciones. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería, 2016. p. 3. Un sistema de medida ideal debe interferir en lo mínimo posible con la variable a medir, debe tener una señal de salida que reproduzca fielmente la señal de entrada (Medida), además debe ser inmune a señales de ruido y fácilmente acoplable al sistema. Elemento Primario o Sensor. Es un transductor que por lo regular está en contacto directo con la variable a medir, y es el elemento encargado de convertir el valor de la señal medida del proceso en una señal de magnitud proporcional que pueda ser utilizada por el transmisor o acondicionador de señal. Hay que tener en cuenta que en proceso de medición, la conversión de una señal a otra siempre se consume algo de energía del sistema que se mide, por lo que es necesario que este consumo no afecte al comportamiento del sistema. Por tanto, el transductor debe tomar poca energía del sistema bajo observación, para no alterar la medida. Los elementos primarios que entregan señal eléctrica pueden ser clasificados como activos y/o pasivos. Los activos son auto generadores de energía eléctrica de voltaje o corriente, por lo que necesitan absorber toda la energía necesaria de la variable a medir. Los pasivos por el contrario necesitan de fuentes externas para entregar una señal de medida eléctrica, aunque ellos pueden absorber algo de energía de la variable a medir.

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Transductor. Se denomina transductor a todo dispositivo que convierte una señal física en otra equivalente pero de distinta naturaleza física, es decir, convierte un tipo de energía en otro. Por lo general en instrumentación cuando se utiliza el término transductor, se está haciendo referencia a sensores que intervienen en un lazo de control, y los cuales generan una señal de salida eléctrica. Transmisor o Acondicionador de Señal. Es el proceso de adecuar la señal para llevarla a la forma y condiciones específicas requeridas para su procesamiento. En la industria es normalizar la señal en un rango de 4 -20mA para señal eléctrica o 3-15 psi en señal neumática. Un elemento primario en general debe tomar lo menos posible de la energía del sistema en observación, lo cual quiere decir que si la señal que entrega es eléctrica sólo se producirán unos pocos mili voltios, esto hace que sea necesario aplicar una etapa de amplificación para que esta señal pueda ser utilizada o tratada con el fin de entregar una señal de corriente entre 4-20mA, o en algunos casos señales de voltaje entre 0 - 5v o 0 – 10v. Si el tipo de instrumentación es neumática se debe convertir en una señal de aire con presiones entre 3 – 15 psi. Todas estas son la tareas que debe realizar el acondicionador de señal para después transmitirla ya sea a un visualizador, un registrador, un controlador, un computador, etc. En general las funciones que debe realizar la etapa de acondicionamiento de señal son excitación, amplificación, filtrado, aislamiento, y linelización, aunque no quiere decir que todas estas funciones estén siempre presentes. Excitación. En algunos casos el transductor es un elemento que necesita de fuente externa para poder entregar una señal eléctrica, como el caso de los elementos primarios resistivos cuya variación se utiliza se utiliza para generar una señal de voltaje por medio de un circuito puente de Wheatstone, el cual es alimentado con una fuente de corriente o de voltaje externa. Amplificación. Generalmente los transductores entregan señales de muy baja potencia, y por lo tanto no se les puede conectar la carga directamente, esto hace que sea necesario colocar una etapa de amplificación para aumentar la potencia de la señal y producir un acople de impedancias.

Aislamiento. En casos especiales se necesita un aislamiento eléctrico entre el sistema de medida y el dispositivo al cual se quiere conectar, para protegerlo de

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transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. El aislamiento eléctrico también evita el problema de corrientes de “ground loop” que falsean la señal de medida y las cuales se presentan si hay una diferencia de potencial entre la conexión a tierra del sistemas de medida y la conexión a tierra del dispositivo al cual se quiere conectar. Filtrado. Un filtro es una red selectiva de frecuencias que deja pasar ciertas frecuencias dentro de una región llamada Banda Pasante, mientras bloquea otras en una región llamada Banda de Rechazo. Se filtra la señal con el fin de eliminar señales indeseables, y la implementación de éste depende del tipo de aplicación. Por ejemplo si la señal de medida varia muy lentamente como es el caso de la medición de temperatura, se coloca un filtro pasa-bajo en la señal de unos cuantos Hertz, con el fin de eliminar ruidos como es el caso de la interferencia causada por la red eléctrica de 50/60 Hz, si por el contrario la medición es de una señal que cambia rápidamente, como es el caso de las medidas de vibración se necesita igualmente un filtro pasa-bajo pero con un corte muy brusco, que elimine totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, para evitar señales superpuestas a la señal medida. Linealización. Se define la linealidad como la recta más próxima a la curva entrada /salida del elemento de medida sobre un determinado rango. Muchos transductores presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos, lo cual hace necesario la corrección ya sea mediante software o hardware con el fin tener una señal de salida que reproduzca fielmente la señal de entrada. Señal de Referencia y Realimentada. Estas señales son equivalente en proporción a la señal de mando y la variable controlada respectivamente, y como característica principal, deben tener exactamente las mismas unidades de tal forma que se puedan comparar. Por ejemplo, si se utiliza un tacogenerador para medir la velocidad del motor, de tal forma que éste entrega una señal entre 0 –5v para un rango de velocidades entre 0-1000 RPM, la señal de referencia debe tener las mismas unidades y tener por lo tanto un rango entre 0 – 5V. Comparador. En este dispositivo se restan las dos señales provenientes del Elemento de Entrada y Elemento de Realimentación, estas dos señales deben ser compatibles de tal forma que se puedan restar. Señal de Error. Si la señal de referencia y la señal del sensor o realimentada no son iguales, existe un error el cual indica que tan alejada se encuentra la señal

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obtenida realmente (señal que se quiere controlar) con respecto al valor deseado (la señal de mando o punto de consigna). Compensador o Controlador. Es la parte pensante del sistema, y es el elemento encargado de corregir el error que se presente. Es una interconexión de componentes actuando en forma conjunta con el fin de regular, dirigir o comandar una cierta energía que entra al sistema con el fin de modificar sus características para que dé una respuesta lo más cercana a lo que se desea de él. Visualizador. Dispositivo que muestra en forma gráfica, números, o letras la señal que se le está enviando. Ilustración 9. Visualizador

Fuente: MENA, Juan Carlos. Conceptos básicos de control y aplicaciones. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería, 2016. p. 4.

Registrador. Dispositivo encargado de visualizar y guardar la información que se le envía. Este tipo de dispositivos se utilizan para llevar la historia de la señal. Ilustración 10 . Registrador

Fuente: MENA, Juan Carlos. Conceptos básicos de control y aplicaciones. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería, 2016. p. 5.

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Señal de control. Es una señal normalizada, cuyo propósito es excitar al elemento final de control para llevar la salida de la planta (variable controlada) al valor de referencia o punto de consigna. Elemento Final de Control. Denominado también el sistema de actuación, es un transductor, y es la combinación de dos o más elementos, subconjuntos y partes necesarias utilizadas para modificar las características de la planta. Es el elemento que está en contacto directo con la planta y su función primordial es darle la potencia necesaria a la señal de control, para modificar una señal del proceso denominada variable manipulada y llevar la variable controlada al valor deseado. Variable Manipulada. Es una señal de la planta, que es fácilmente modificada y que produce un cambio en la variable que se quiere controlar. Por ejemplo, en el caso del de un motor de corriente directa, si se desea cambiar (controlar) la velocidad de giro de este, se modifica (manipula) el voltaje de entrada. La razón de estandarizar las gamas de las señales de salida de los transmisores es poder interconectar instrumentos de diversas marcas y uniformizar los receptores, esto permite a los receptores recibir señales de cualquier variable, sin importar la gama de esas variables puesto que todos los transmisores tienen salidas comunes. Observador de estados. Un observador de estados es un sistema dinámico cuyos estados convergen a los del sistema observado. Dependiendo del número de estados observados, el observador es de orden completo o reducido. Luego puede implementarse un control con asignación de auto valores de lazo cerrado por realimentación de los estados observados. Dicho en otras palabras los observadores de estado, son herramientas virtuales, que permiten estimar las variables o estados de un sistema en base a mediciones de las señales de salida y señales de control. Estos observadores permiten enviar información estimada acerca del valor que toman dichos estados, permitiendo conocer un aproximado del valor real, además cuentan con muy poco margen de diferencia o error.

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5. OBJETIVOS

5.1 OBJETIVO GENERAL

Reconstruir el sistema placa ventilador del laboratorio de Automática de la UAO de tal forma que se recupere todas sus funcionalidades, adicionando también un sistema de control mediante el uso de una aplicación móvil. 5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Seleccionar un driver de potencia que sea conveniente al funcionamiento de los motores de la planta.

• Seleccionar todos los componentes faltantes que permitan el funcionamiento completo del sistema. • Diseñar e implementar un sistema electrónico y de instrumentación que permita el acople del sensor encargado de identificar el ángulo de la placa. • Diseñar e implementar por lo menos 4 algoritmos de control tanto SISO como MIMO que sirvan como prácticas en cursos de control automático. • Diseñar e implementar una interfaz hombre-máquina que permita la manipulación remota de la planta vía teléfono celular. • Implementar software para la realización de pruebas preliminares para identificar y corregir posibles errores.

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6. METODOLOGIA

Para la reconstrucción y control del sistema placa ventilador se aplicará la propuesta de ciclo de desarrollo para productos mecatrónicos uti lizando diseño concurrente, esta propuesta consta de una serie de etapas la cual se dividen en tres grupos: Diseño conceptual: Son las primeras etapas presentes en el ciclo de desarrollo. Corresponden a identificar necesidades y establecer especificaciones para que el sistema placa ventilador recupere todas sus funcionalidades básicas. Posteriormente se procede a generar, seleccionar y probar conceptos que permita además de la recuperación de las funcionalidades de la planta, obtener los mayores beneficios educativos. Perteneciente al proceso de desarrollo pero no de diseño: En este grupo se desarrolla la planeación del producto, esto consiste en la incorporación de los elementos adecuados para lograr el mejor funcionamiento de la planta para posteriormente diseñar un sistema de control adecuado el cual permita optimizar el ciclo de vida de la planta. Proceso de diseño: Se desarrolla la mayor cantidad de etapas planteando el diseño a nivel de sistema, diseño detallado, la verificación del correcto funcionamiento del sistema placa ventilador después de la implementación de los nuevos componentes, prototipos de los diferentes algoritmos de control para realizar su correspondiente implementación en el sistema y como procesos final la documentación del diseño y prototipos finales para la evaluación registro.

Aplicando una concepción de diseño mecatrónico en cada etapa se logra un efecto catalítico en el proceso de desarrollo. De igual manera se consideró tener muy en cuenta la necesidad del laboratorio de Automática de la UAO de tener el sistema placa ventilador para fines educativos. Para esto es necesario investigar la cantidad de plantas disponibles en el laboratorio de Automática las cuales permitan entender cómo funcionan los procesos, equipos y dispositivos a nivel industrial. También es necesario tomar como punto de partida los actuales sistemas que poseen otras universidades, con el fin de lograr una ventaja en la implementación del sistema de control.

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La técnica de investigación a utilizar estará enfocada en la recolección y comparación de características de los sistemas existentes usando como fuente los libros físicos y digitales tanto de la universidad como de sitios externos. Además, el proyecto al tener un planteamiento que va desde la reestructuración y puesta en marcha de la planta hasta su respectivo diseño e implementación del sistema de control requiere de un análisis al manual del sistema Placa Ventilador para tener una base de los componentes iniciales con los cuales venia la planta, de esta manera buscar los repuestos de estos. También se debe acudir a los libros de control automático, de tal manera que se pueda obtener la información necesario para el diseño y la implementación de los algoritmos de control tanto SISO como MIMO.

6.1 ETAPAS DEL PROYECTO

El proyecto consta con cinco de etapas con las cuales se dará desarrollo de los objetivos, logrando así el alcance general planteado para el proyecto. • Se realizará un análisis e investigación de los diferentes componentes que permitirán que el sistema Placa Ventilador vuelva a trabajar de la manera para cual fue diseñada, como lo son los drivers de potencia, conexiones, sistema de control entre otros; de esta manera identificando ventajas y desventajas que la planta podría adquirir. • Posteriormente de haber realizado una exhaustiva investigación sobre los componentes, se seleccionaran y adecuaran los que brinden una mayor eficiencia en el funcionamiento de la planta al igual que los que mejor se desempeñen para su respectivo sistema de control. • Luego de la instalación de los componentes se realizarán pruebas para verificar el correcto funcionamiento de la planta, logrando de esta manera caracterizarla y obtener una función de transferencia de su comportamiento. • Una vez caracterizada la planta es posible diseñar los diferentes controladores propuestos los cuales permitan manipular una única o múltiples varíales para lograr la salida deseada de la planta.

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• Después de realizar un correcto control sobre la planta se procederá a lograr una comunicación entre una aplicación ya establecida de un teléfono celular la cual permitirá la manipulación remota de la planta.

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7. DESARROLLO CONCEPTUAL

7.1 IDENTIFICACION DE NECESIDADES

Mediante la lluvia de ideas propuesta por el grupo de trabajo, entrevistas personales ya sean estudiantes, profesores y personal del laboratorio; simulación de casos de uso, benchmarking y la consulta a fondo en diferentes fuentes literarias, en las cuales se despliega de manera amplia el desarrollo de productos que intentan cumplir las exigencias para el óptimo desarrollo de prácticas por parte de los estudiantes en el área de control e instrumentación, se identificaron ciertos grupos de necesidades latentes y de suma importancia que lograron enfocar de una manera más directa el desarrollo del producto propuesto por el equipo de diseño y desarrollo. Además de estas necesidades descritas por el equipo de trabajo y mediante la consulta en fuentes bibliográficas especializadas en el tema. Tabla 1. Necesidades del cliente

IDENTIFICACIÓN DE NECESIDADES

DISEÑO ADECUADO Y FUNCIONAL

1 El dispositivo permite un rango adecuado y preciso de la placa 2 El dispositivo permite un adecuado flujo de aire 3 El dispositivo integra y distribuye adecuadamente sus componentes 4 El dispositivo es estético 5 El dispositivo permite una baja fricción en los rodamientos 6 El dispositivo permite un correcto balance de contrapeso en la placa 7 El dispositivo permite un correcto acople de los cables de conexión

BUEN DESEMPEÑO Y FUNCIONALIDAD

8 El dispositivo se mueve adecuadamente en todo su rango de funcionamiento 9 El dispositivo es de buena repitibilidad y precisión 10 El dispositivo es rápido en sus movimientos 11 El dispositivo es de fácil mantenimiento FACIL MANEJO Y APRENDIZAJE

12 El dispositivo permite un fácil manejo e interpretación 13 El dispositivo permite una auto-calibración de la posición inicial 14 El dispositivo utiliza tecnologías actuales como método de aprendizaje 15 El dispositivo afianza conocimiento en el control de procesos SEGURIDAD

16 El dispositivo es protegido contra posibles cortos circuitos 17 El dispositivo aísla el ventilador del alcance del usuario 18 El dispositivo aísla el sistema eléctrico del alcance del usuario 19 El dispositivo permite extracción del aire caliente en el interior de la misma

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En la Tabla 1 se muestra una lista de necesidades las cuales están clasificadas en subcategorías dependiendo su relación entre ellas, realizando además un diagrama de afinidad. Estas necesidades han sido expresadas de tal manera que permiten plantear mejoras tanto en la parte eléctrica como en la parte mecánica del dispositivo ya existente. Tabla 2. Métricas de las necesidades

NECESIDAD MEDIDA UNIDADES

1 4,7,8 Precisión en el mecanismo de traslación Cm 2 1,5 Precisión en la rotación de la placa Grados 3 1,8,9 Velocidad de posicionamiento de la placa Grados / S 4 4,7,9,12 Velocidad del actuador R.P.M 5 12,15 Potencia del actuador H.P 6 7,9,12 Voltaje de funcionamiento Voltios 7 7,8 Rango de operaciones del actuador Cm 8 5 Rango de operaciones de la placa Grados 9 2,3,6 Tamaño Cm 10 11,12,14 Aprendizaje Subjetiva 11 2,3,10 Portabilidad Kg 12 4,7,9 Tiempo de trabajo S 13 15 Cantidad de protecciones en el circuito # 14 10 Tiempo requerido para el mantenimiento S 15 1 Caudal de viento en el túnel Flujo La Tabla 2 permite establecer una relación entre las necesidades del cliente y las métricas correspondientes de cada una. De igual manera mediante los criterios NUD y Kano, se clasificaron las necesidades recolectadas con el fin de depurar ciertas características presentadas por el usuario las cuales no son de vital relevancia para el estudio a fondo que se realizará mediante la metodología del QFD. Esto se realiza con el fin de enfocar de mejor manera las posibles soluciones de diseño que busquen realmente la satisfacción del usuario. Tabla 3. Criterio NUD

NUEVO ÚNICO DIFERENTE 1,12,16,18 2,10,11 13,14

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Tabla 4. Criterio KANO

DELIGTHER SATISFIERS MUST HAVES 12,16,17 1,2,3,8,9,13,15,18 4,5,6,7,10,11,14

7.2 ANALISIS QFD

El QFD utiliza como base, los diagramas matriciales. Este establece puntos de conexión lógica entre grupos de características, funciones o actividades, además de representaciones gráficas. Primero se visualizaron e identificaron las necesidades del cliente y las características de calidad como lo son las métricas. Después se generó una escala cuadrática para darle prioridades a las relaciones existentes entre las necesidades del cliente y las métricas. También se evaluaron las necesidades y las métricas con competidores existentes en el mercado, los cuales ya fueron mencionados en los antecedentes. Tabla 5. Productos existentes en el mercado

Competencias existentes en el mercado

A Diseño de un control PID robusto para un proceso placa-ventilador B Dispositivo de control para proceso de placa ventilador hecho por kri La tabla 6 muestra la interacción de las necesidades más relevantes junto con sus respectivas métricas para determinar el nivel de interdependencia entre ellas. Por otra parte se muestra la ponderación que le dan los usuarios a los productos competidores analizados en el benchmarking. Los competidores se representan con las letras anteriormente asignadas.

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Tabla 6. Análisis QFD

Se puede ver que todas las métricas tienen al menos una necesidad asociada y que la mayoría de estas relaciones tienen un valor alto con lo cual se puede afirmar fuertemente que no hay métricas o necesidades innecesarias en las listas. Un aspecto importante a destacar es que la necesidad que tiene un mayor número de relaciones es la necesidad de que sea rápido en sus movimientos, seguido por la necesidad de que el dispositivo permite una auto-calibración de la posición inicial. 7.3 GENERACION DE CONCEPTOS

Para logar una adecuada generación de conceptos es necesario realizar una caja negra del dispositivo para entender las entradas y salidas presentes en el sistema.

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Ilustración 11. Caja Negra del sistema

Partiendo de las necesidades expuestas por los clientes y el planteamiento de la misión, se generó una descomposición funcional donde se estudia el problema por etapas, para así clasificar su solución. Ilustración 12. Descomposición Funcional

En la ilustración anterior se observa que las etapas de mayor interés para el diseño del dispositivo son: convertir energía a movimiento rotacional, transmitir movimiento traslacional al actuador y el sistema de comunicación y control de la planta. Si no existiera alguna de estas funciones, el dispositivo sencillamente no

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sería para nada novedoso, por esta razón son las sub-funciones criticas del diseño y el desarrollo del prototipo será enfocado en estas. Transmitir Movimiento Rotacional al Elemento.

Engranaje Sin fin corona Correa dentada polea Catarina cadena Cremallera Transmitir Movimiento Traslacional al elemento

Tornillo sin fin de rueda dentada Mecanismo cremallera piñón Transmisión Tornillos Tuerca Tornillo sin fin de bola recirculante Sistema de control de la planta Arduino Mega ADK Rev3 Raspberry PI Beaglebone Black Matlab A partir de las necesidades se generaron los conceptos orientados al mejoramiento o actualización de sistemas de la planta , es decir, reemplazar la parte eléctrica existente por tecnologías más actuales; con base a los conceptos iniciales se realizaron mejoras con los resultados en la matriz de tamizaje. Concepto 1. Este concepto consiste en un sistema de transmisión basado en un tornillo sin fin de rueda dentada el cual ofrece una gran reducción de velocidad y, por tanto, un aumento importante de la ganancia mecánica. Hay que tener en cuenta que el sinfín solamente tiene un diente mientras que el piñón puede tener los que se quiera. El mecanismo es irreversible, por lo que no es posible hacerlo funcionar si se conecta el piñón al árbol motriz y el sinfín al conducido. Este concepto cuenta como plataforma para el controlador un Arduino Mega ADK

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siendo ideal para proyectos de investigación, educación o aficionados a la electrónica. En este dispositivo se albergarán las estrategias de control para la planta, los protocolos de comunicación y de procesamiento de señales necesarios para el correcto funcionamiento de la planta. Ilustración 13. Tornillo sin fin de rueda dentada

Fuente: MODETI; Nicolás E. Engranajes o ruedas dentadas [en línea]. La Escuela Técnica, 2016 [consultado el 13 de diciembre del 2016]. Disponible en internet: http://laescuelatecnica.jimdo.com/ruedas-dentadas/ Ilustración 14. Arduino Mega ADK

Fuente: ARDUINO. Arduino Mega ADK [en línea]. 2009 [consultado 1 de octubre de 2016]. Disponible en internet: : https://www.arduino.cc/

Concepto 2. Este concepto consiste en un sistema de transmisión basado en un mecanismo cremallera piñón el cual permite convertir un movimiento giratorio en

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uno lineal continuo, o viceversa. Aunque el sistema es perfectamente reversible, su utilidad práctica suele centrarse solamente en la conversión de un movimiento giratorio en lineal continuo, siendo muy apreciado para conseguir movimientos lineales de precisión (caso de microscopios o instrumentos ópticos), desplazamiento cabezal de taladros, movimiento de puertas automáticas de garaje, sacacorchos, etc. Este concepto cuenta como plataforma para el controlador la Raspberry PI la cual es una pequeña computadora que corre Linux desde un dispositivo de almacenamiento de información (Tarjeta SD, etc.), esta plataforma de desarrollo ha sido orientada para ser utilizado por informáticos enfocados en el desarrollo de software. Ilustración 15. Mecanismo cremallera piñón

Fuente: MODETI; Nicolás E. Engranajes o ruedas dentadas [en línea]. La Escuela Técnica, 2016 [consultado el 13 de diciembre del 2016]. Disponible en internet: http://laescuelatecnica.jimdo.com/ruedas-dentadas/

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Ilustración 16. Raspberry PI

Fuente: RASPBERRY. Raspberry PI [en línea]. 2008 [Consultado 1 de Octubre de 2016]. Disponible en internet: https://www.raspberrypi.org/

Concepto 3. Este concepto se basa en un sistema de transmisión de tornillo tuerca, este se emplea en la conversión de un movimiento giratorio en uno lineal continuo cuando sea necesaria una fuerza de apriete o una desmultiplicación de la velocidad muy grandes. El sistema tornillo-tuerca como mecanismo de desplazamiento se emplea en multitud de máquinas que requieran de gran precisión de movimiento. También, este tipo de mecanismo se encuentra en multitud de objetos de uso cotidiano: grifos, tapones de botellas y frascos, lápices de labios, barras de pegamento, elevadores de talleres, gatos de coche, tornillos de banco, etc. Este concepto cuenta como plataforma para el controlador una Beaglebone Black, plataforma de desarrollo con memoria flash y sistema operativo Linux Angstrom de fábrica. Frecuentemente es catalogado como la fusión entre la capacidad de manejo de interfaces y dispositivos externos de Arduino y la capacidad de procesamiento de Raspberry Pi.

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Ilustración 17. Transmisión tornillos tuerca

Fuente: MODETI; Nicolás E. Engranajes o ruedas dentadas [en línea]. La Escuela Técnica, 2016 [consultado el 13 de diciembre del 2016]. Disponible en internet: http://laescuelatecnica.jimdo.com/ruedas-dentadas/ Ilustración 18. Beaglebone Black

Fuente: Beaglebone Black. Beaglebone Black [en línea]. 2010[Consultado 1 de Octubre de 2016] Disponible en internet: https://beagleboard.org/black Concepto 4. Este concepto está basado en un torni llo sin fin de bola recirculante como sistema de transmisión, este mecanismo consiste en intercalar una hilara de bolas entre el tornillo sinfín y una tuerca. Esta a su vez dispone de una cremallera exterior que transmite el movimiento a un sector dentado, el cual lo transmite a su vez a la palanca de ataque. Este concepto cuenta como plataforma para el

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controlador la herramienta de software matemática Matlab, la cual ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible para las plataformas Unix, Windows, Mac OS X y GNU/Linux. Ilustración 19. Tornillo sin fin de bola recirculante

Fuente: MODETI; Nicolás E. Engranajes o ruedas dentadas [en línea]. La Escuela Técnica, 2016 [consultado el 13 de diciembre del 2016]. Disponible en internet: http://laescuelatecnica.jimdo.com/ruedas-dentadas/ Ilustración 20. Paquete de Matlab, Simulink (plataforma de simulación

multidominio)

Fuente: MathWorks. Matlab [en línea]. 2008 [Consultado 1 de Octubre de 2016] Disponible en internet: https://es.mathworks.com/products/matlab.html

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7.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS

En la tabla que se presenta a continuación se puede apreciar los diferentes valores que se les asigna a cada uno de los conceptos de acuerdo a como estos satisfacen las necesidades más relevantes en el desarrollo del dispositivo, para posteriormente de acuerdo a los valores asignados seleccionar de manera inicial cuales conceptos son los más apropiados para continuar en el proceso de desarrollo del producto. Para esta primera iteración el concepto que se usara como referencia será el concepto 1. Tabla 7. Matriz de tamizaje de conceptos

Variantes de conceptos

Criterios de Selección 1 2 3 4 REF 1 Repitibilidad y Precisión 0 + + + 0 2 Rápido en sus movimientos 0 + 0 + 0 3 Buena Estética 0 - + + 0 4 Fácil Mantenimiento + + - - 0 5 Fácil Programación + 0 0 0 0 6 Facilidad de Producción + + - - 0 7 Es compacto - - 0 + 0 8 Baja Fricción 0 0 0 + 0 9 Precio 0 + 0 - 0

Positivo 3 5 2 5 Negativo 1 2 2 3

Total 2 3 0 2 Orden 2 1 4 3

¿Continuar? Comb S N Comb Con base en la primera matriz de tamizaje se decidió no seguir con el concepto 3, ya que a pesar de no obtener una mala calificación, tampoco obtuvo puntos relevantes con respecto al resto de conceptos. Por otro lado el concepto 2 se dejó intacto debido a los buenos resultados. Por otra parte se decidieron sacar nuevos conceptos mediante la combinación de los conceptos 1 y 4. Concepto 1-4. Se utilizará el sistema de transmisión de traslación del concepto 1, el cual está basado en un tornillo sin fin de rueda dentada, al ser más económico, funcional y mecánicamente viable que el del concepto 4 a pesar de las grandes ventajas que este ofrece. Como plataforma de control se usará una combinación de los dos conceptos ya que ambos sistemas son los más usados como fines

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didactas en las prácticas de la universidad, el cual es uno de las necesidades que se quiere satisfacer. Tabla 8. Matriz de tamizaje 2

Variantes de conceptos

Criterios de Selección 1-4 2 REF 1 Repitibilidad y Precisión 0 + 0 2 Rápido en sus movimientos + 0 0 3 Buena Estética - - 0 4 Fácil Mantenimiento 0 + 0 5 Fácil Programación + 0 0 6 Facilidad de Producción + + 0 7 Es compacto - 0 0 8 Baja Fricción 0 - 0 9 Precio + + 0

Positivo 4 4 Negativo 2 2

Total 2 2 Orden 2 1

¿Continuar? Comb Comb Como análisis para la segunda matriz de tamizaje se tiene que ambos conceptos tienen la misma calificación positiva con respecto al concepto 4 el cual fue el concepto de referencia, por lo que como última iteración se concluyó en una combinación entre estos conceptos finales. Concepto Alpha. Este concepto está basado en un sistema de transmisión de mecanismo cremallera piñón el cual es el que cuenta el concepto 2, ya que a pesar de ser igual de económico, funcional y mecánicamente que el del concepto 1-4, este presenta una gran ventaja y es que es el que presenta en estos momentos la maquina actualmente lo cual brinda un gran ahorro de tiempo y recursos ya que después de verificarlo este trabaja correctamente. Como plataforma de control es predominante el del concepto 1-4 el cual usa Arduino y Matlab, estos dos trabajando en conjunto hacen una gran combinación ya que el Arduino sería el encargado de la toma de datos e interacción con el usuario al igual de encargarse del control sobre la planta afianzando los conocimientos prácticos y de programación. Por otra parte al usar el programa de Matlab para diseñar el controlador el cual será programado en el Arduino permite al estudiante afianzar los conocimientos aprendidos en las clases de control.

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Tabla 9. Matriz de tamizaje 3

Variantes de conceptos

Criterios de Selección Alpha REF 1 Repitibilidad y Precisión + 0 2 Rápido en sus movimientos 0 0 3 Buena Estética 0 0 4 Fácil Mantenimiento + 0 5 Fácil Programación - 0 6 Facilidad de Producción + 0 7 Es compacto 0 0 8 Baja Fricción 0 0 9 Precio + 0

Positivo 4 Negativo 1

Total 3 Orden 1

¿Continuar? Si Basándonos en la última matriz de tamizaje, donde el concepto de referencia fue el concepto 2, es posible darse cuenta de que el concepto alpha es el más eficiente, ya que a pesar de ser un poco más difícil su programación por ser en dos plataformas, estas son constantemente usadas por la universidad en sus prácticas permitiendo afianzar los conocimientos brindados por esta. Además su sistema de transmisión es el más conveniente ya que como se mencionó antes es el actualmente presente en la maquina el cual funciona correctamente aun.

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8. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO

Para realizar la arquitectura de productos primero se mejoró la descomposición funcional inicial donde se plantearon y agruparon aspectos más relevantes en el diseño del proyecto enfocada de mejor manera a las necesidades descubiertas basadas ahora en el concepto elegido, para generar una nueva descomposición mucho más detallada y agrupando ciertos elementos como se puede ver a continuación

Ilustración 21. Descomposición Funcional Mejorada

En esta nueva descomposición funcional es posible apreciar de forma más detallada los sistemas que componen el dispositivo. Los elementos que se encuentran encerrados en azul son el grupo de funciones que se realizaran por medio de las plataformas del computador, las cuales corresponden a Iniciar la interfaz, caracterizar la planta, calcular controlador y cargar el controlador. Estas cuatro operaciones se dividirán entre las plataformas de Arduino y Matlab, ya que la primera será la encargada de iniciar la interfaz y recibir los datos de la caracterización de la planta la cual posteriormente los enviara a Matlab en el cual se podrá calcular y simular el controlador para luego retornar los valores al Arduino y cargarlo en la planta. Es importante aclarar que esto solo será necesario hacerlo una vez si en la planta no hay cargado ningún controlador, una vez se

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haya cargado uno el sistema funcionará automáticamente hasta que se desee cargar un nuevo controlador. Los elemento en verde son todos los encargados del sistema de traslación, una vez iniciado el controlador lo primero que hace este es verificar que el actuador sobre el riel se encuentre en su posición inicial, de no ser así el usuario no podrá ingresar una posición deseada de la placa. Una vez verificado esto y el usuario ingrese la posición deseada de la placa, del Arduino saldrá una señal PWM que ira dirigida al driver el cual será el encargado de brindar la corriente necesaria para que el actuador comience a girar a una velocidad determinada y gracias al sistema de transmisión el cual corresponde al mecanismo cremallera piñón, el actuador podrá trasladarse hasta la posición calculada por el controlador, una vez realizado esto se verificará la posición actual y se comparar el setpoint de la placa. Por último se tiene los elementos morados los cuales corresponden al ventilador del sistema, el cual igual que el motor de transmisión tiene que esperar a que el sistema se encuentre en su posición inicial para poder empezar a trabajar de forma adecuada. Este también mandara una señal PWM desde el Arduino dirigida al driver de potencia el cual energizara el motor de la hélice permitiéndole comenzar a girar. Esta señal difiere en la del motor de transmisión en que la velocidad que lleva esta no es predeterminada sino que es calculada por el controlador y la cual es inversamente proporcional a la distancia a la que se encuentre este de la placa. Esta velocidad será monitoreada por el Arduino para que sea de forma constante y genere de igual manera un flujo de aire contante y la posición de la placa sea estable. Posteriormente se realizó la relación de elementos físicos con los elementos funcionales del sistema:

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Ilustración 22. Relación Elementos Físicos y Elementos Funcionales

Para determinar la arquitectura que poseerá un producto es necesario realizar una relación entre los diversos elementos que forman el dispositivo y las funciones que debe cumplir ese. Como se puede observar en la i lustración anterior, se determinó que el tipo de arquitectura presente en el sistema es predominantemente modular; debido a que se observa que cada elemento cumple una única o pocas funciones en el dispositivo. El dispositivo a desarrollar será realizado a una modularidad; debido a que la selección de elementos se debió adaptar a los estándares presentes en el mercado; por tal motivo el dispositivo se ajustó en gran medida a características generalizadas. 8.1 INTERACCIONES FUNDAMENTALES

Por último se realizó el agrupamiento de funciones y elementos obteniendo lo siguiente:

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Ilustración 23. Agrupación de funciones y elementos

Donde se puede observar que se tienen 10 subsistemas: El primer subsistema corresponde a la etapa de potencia de toda la planta, el cual está compuesto por una fuente lógica la cual alimentará al driver de potencia, el Arduino y los sensores, adicionalmente también habrá una fuente de 12Vdc la cual ira al driver y esta será la encargada de energizar los motores con dicho voltaje. El segundo subsistema es el de la estructura, en el cual se encuentra lo correspondiente a la carcasa la cual brinda soporte y seguridad a todo el sistema eléctrico y mecánico del dispositivo. El tercer subsistema es el del sistema de control, el cual está constituido por el acondicionamiento de señales, control de señales y la generación de la acción de control, este subsistema va de la mano con la interfaz y la CPU. Como cuarto subsistema tenemos el del sistema mecánico, como su nombre lo indica es el encargado de toda la parte mecánica del dispositivo, desde la traslación del actuador, así como el giro del ventilador. El

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quinto subsistema es el de los actuadores siendo estos los responsables de transformar las señales enviadas en movimientos para poder ubicar la placa en la posición deseada. Para el sexto subsistema se tiene el de la interfaz con el usuario, este subsistema es el que permite interactuar al usuario con el dispositivo, ya sea desde ver su estado actual hasta modificar datos en el controlador. El séptimo subsistema corresponde al de los sensores, este es el encargado de la toma de todas las variables actuales en el dispositivo y mandarlas a la CPU. El octavo subsistema es el de la CPU, el cual es el encargado de suministrar energía y señales de control a los diferentes elementos del sistema. El noveno subsistema es el del control de la placa, como su nombre lo indica es el que se encarga de la plena rotación y verificación de la placa en su posición deseada. Por último se tiene el subsistema del control del sistema mecánico, el cual es el encargado de que toda la parte mecánica se encuentre disponible y ubicada de forma correcta para poder ser utilizado. 8.2 INTERACCIONES INCIDENTALES

A continuación se presentan las posibles interacciones incidentales que puede presentar el dispositivo: Ilustración 24. Interacciones incidentales

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9. DISEÑO INDUSTRIAL

El dispositivo placa ventilador es un sistema mecatrónico con una finalidad didáctica, que permite realizar prácticas de control e instrumentación bajo diferentes condiciones operativas del sistema. El dispositivo también contará con una buena estética y ergonomía para brindarle al usuario un dispositivo agradable tanto a la vista como a la hora de realizar prácticas. 9.1 NECESIDADES ERGONÓMICAS Y ESTÉTICAS

Facilidad de uso: Este es una de las variables más importantes del dispositivo debido a que está dirigido a estudiantes de la universidad por lo cual la interacción con el usuario debe ser lo más amigable posible, ya sea desde sus conexiones eléctricas, los cuales deben estar debidamente marcados con la función que cada uno de ellos cumples, así también como su fácil programación.

Facilidad de mantenimiento: El dispositivo contara con un sistema que permita a la hora de realizar mantenimiento este sea fácil, rápido y seguro. El dispositivo cuenta en su parte posterior una tapa en la cual reside toda la parte electrónica del dispositivo, una vez retirada esta es posible acceder a todos los circuitos eléctricos. Para acceder a la parte mecánica y realizar su respectivo mantenimiento solo es necesario remover el acrílico protector en la parte superior, una vez hecho esto se tendrá una fácil manipulación del ventilador así como de la cremallera y su respectivo motor de traslación.

Bajo costo: En el sistema se integrara la mayor cantidad de partes y materiales más costosos en los costos variables, esto con el fin de comprarlos con otros materiales más económicos que cumplan con las funciones y características mínimas que debe tener el dispositivo, de esta forma minimizar costos. Además de esto, se cotizara con otros proveedores de materiales para revisar sus posibilidades de ingreso a nuestro diseño como nuevos proveedores.

Interacciones con el usuario:

El usuario debe conectar la maquina a la red eléctrica

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El usuario conectará los cables eléctricos correspondientes a la toma de datos y control.

El usuario calculará y diseñará el algoritmo de control para operar la máquina.

El usuario verificará que el sistema se encuentra apto para su correspondiente uso. 9.2 ASPECTOS DE SEGURIDAD

Los puntos de conexión de los cables correspondientes a los motores y sensores estarán bajo una superficie que aislé dichos puntos del resto del sistema, de esta manera evitando posibles corto circuito poniendo en riesgo la seguridad del usuario al igual que la de la máquina. Las aspas del ventilador y la cremallera estarán aislada del alcance del usuario en caso de que se llegasen a salir después de un mantenimiento en el cual no se hayan asegurado correctamente, aunque dichos accidentes se trataran de minimizar al máximo dando un correcto instructivo de mantenimiento. La superficie de la maquina no debe tener picos y filos los cuales puedan causar daño al usuario cunado este intente interactuar con el dispositivo. Se buscó un sistema modular en la parte eléctrica para que en casos de cortos circuitos cada sistema presente su protección y no afecte a ningún otro. El sistema contará con un indicativo de restricciones de uso el cual indique de manera detallada las condiciones necesarias que debe tener en cuenta el usuario cuando esté en funcionamiento el dispositivo.

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9.3 EVALUACION DE NECESIDADES ERGONÓMICAS Y ESTÉTICAS

Mediante el análisis de las necesidades estéticas y ergonómicas hecho en el diseño industrial, se puede observar hacia qué aspectos debe tender el producto con el fin de garantizar su éxito a nivel de mercado y de consumidor y pueda llegar a convertirse en un referente frente a la competencia. Ilustración 25. Evaluación de necesidades

Ilustración 26. Dirección del proceso de diseño industrial

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La ubicación en la dirección del diseño industrial es en todo el centro ya que el dispositivo no está basado netamente en la tecnología pero si en la habilidad de realizar una tarea técnica específica, la de controlar la posición de la placa por medio de un flujo de aire en lo cual intervienen diferentes tecnologías para lograr dicho propósito. Por otro lado, uno de los beneficios principales se debe a su fácil interacción entre el usuario y el dispositivo, además de su apariencia estética la cual debe ser muy buena y donde el diseño industrial tiene una influencia decisiva. 9.4 EVALUACION DE LA CALIDAD DEL DISEÑO INDUSTRIAL

Ilustración 27. Valorización de diseño industrial

Calidad de las interfaces: Es medio; para que el dispositivo placa venti lador cumpla su función es necesario una interfaz de usuario ante todo clara y no muy elaborada en la cual el usuario pueda interactuar de manera fácil y rápida con la máquina. Requerimientos emocionales: Es medio baja; ya que lo que busca el estudiante es que el dispositivo cumpla de manera correcta su propósito funcional por encima de los detalles estéticos y emocionales que la maquina pueda presentar.

Facilidades de mantenimiento y reparación: El dispositivo presenta facilidades para su mantenimiento y reparación (esto ya fue explicado con mayor detalle en el ítem 9.1 y 9.2)

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Uso apropiados de recursos: Es medio alta; se ha reutilizado casi en un 100% la estructura que presenta el dispositivo actualmente, la cual en su elaboración escogió materiales que poseen buenas prestaciones para su función, como por ejemplo:

La base está diseñada en lámina de acero para que presente un buen soporte a la estructura que se encuentra arriba y su pintura fue electroestática ya que brinda un acabado brillante y duradero.

Las partes que se diseñaron en aluminio fueron para disminuir el peso que soporta la base y además el aluminio es un material que se deja trabajar fácilmente a la hora de maquinarlo.

Las partes plásticas fueron escogidas debido a que son las que mejor cumplía su función de acople y son fácil de conseguir.

Diferenciación del producto: es medio alta; ya que como se pudo observar anteriormente el dispositivo presenta una ventaja en términos estéticos, ergonómicos, modo de funcionamiento e interfaz con respectos a los ya existentes en el mercado.

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10. DISEÑO PARA MANUFACTURA

Con el propósito de reducir costos sin tener que sacrificar la calidad del dispositivo final, es necesario identificar los proveedores de materiales y componentes más favorables. Por esta razón se decidió reutilizar la estructura ya existente en el dispositivo y solo reemplazar la parte eléctrica que era la más afectada y obsoleta. 10.1 COSTOS DE COMPONENTES

Dentro de los costos de componentes se identifican dos clases de partes Partes Estándar: Este tipo de materiales se compraran en el mercado ya que son materiales de tipo convencional como lo son motores, switches, cables, tornillos, piñones, rodamientos, etc.). Partes Propias: Estas partes son las que se reuti lizaran en el dispositivo ya que en su momento fueron piezas fabricadas según los requerimientos a partir de la materia prima, como lo son la lámina de acero, acrílico, acople para ejes, etc.). 10.2 COSTOS DE ENSAMBLE

El análisis preliminar de diseño para ensamble, según el enfoque del grupo de desarrollo se centra en los criterios necesarios para reducir costos en el ensamble, basándose en la maximización en la utilización de los recursos. Se diseñó un dispositivo donde sus componentes son de fácil adaptación, pero sin realizar adaptación de partes debido a que la utilización de la maquinaria especializada para el desarrollo de piezas más elaboradas incrementa los costos de manufactura.

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10.3 COSTOS FIJOS

Tabla 10. Costos Primarios

ELEMENTO CANTIDAD PRECIO UNITARIO (PESOS)

Fuente voltaje 12 VDC fija 1 58.000 Fuente voltaje Parte lógica 1 24.000

Motor reductor DC 1 125.500 Motor DC 1 78.400

Driver Dual Motor DC 1 57.600 Sensor ultrasónico HCSR04 1 8.000

Módulo Bluetooth HC-06 1 25.000 Arduino Mega ADK 1 167.000 Pantalla LCD 20x4 1 26.500

Teclado Matricial Membrana 1 8.500 TOTAL 577.00

A partir del análisis de la Tabla 10, se efectúa la reducción de costos de ensamble y componentes; debido a que muchos elementos incluidos en la tabla anterior se lograron reducir debido a rediseños establecidos. Para reducir los costos primarios se tiene en cuenta los siguientes aspectos: Identificación de las restricciones del producto y manejo de costos. Aparato automático, limitante en la posición de traslación del motor, buen nivel de estética. Rediseño de componentes para eliminar etapas de proceso. Rediseño en el sistema de final de carrera, ya que al usar un sensor de distancia ultrasónico se puede eliminar este componente. Otro rediseño que se realizo fue el de la utilización del teclado matricial y la pantalla LCD, ya que al ser parte del objetivo general el uso de una interfaz por medio de celular era redundante usar estos componentes. Estandarización de componentes y procesos. Estandarización de partes propias del producto tales como lo son los engranes, cremallera y ejes, eliminando de esta manera procesos de acabado y maquinado.

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Posteriormente a estos rediseños se recalcula los costos de manufactura, obteniendo unos costos finales mostrados a continuación: Tabla 11. Costos Finales

ELEMENTO CANTIDAD PRECIO UNITARIO (PESOS)

Fuente voltaje 12 VDC fija 1 58.000 Fuente voltaje Parte lógica 1 24.000

Motor reductor DC 1 125.500 Motor DC 1 78.400

Driver Dual Motor DC 1 57.600 Sensor ultrasónico HCSR04 1 8.000

Módulo Bluetooth HC-06 1 25.000 Arduino Mega ADK 1 167.000

TOTAL 543.00

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11. PROTOTIPADO

Esta etapa es muy importante ya que en ella se consolidan visualmente los modelos creados, con una etapa de prototipado bien desarrollada se pueden detectar errores y hasta producir posibles mejoras en el producto final ya que es más fácil ver que imaginar un sistema. Tabla 12. Matriz de prioridades

Res

tring

ir

Opt

imiz

ar

Ace

ptar

Tiempo X Costo X

Característica X Como variable a restringir se escogió el tiempo debido a que sólo se cuenta con un tiempo límite establecido por la universidad el cual no es flexible por lo que todas las entregas deben hacerse en las semanas establecidas para que no haya retrasos y quede más espacio para las pruebas y ajustes. La variable que se escogió optimizar fue el dinero debido a que se cuenta con un presupuesto determinado y se debe ser lo más selectivos posibles respecto a los componentes a utilizar y en caso de que no sean accesibles en la ciudad debe tenerse en cuenta el costo de envío entre otras cosas. Por último se decidió aceptar las características debido a que se puede ser flexible en este prototipo respecto a aspectos como la apariencia, dimensiones, acabados superficiales, material, etc., todo esto siempre y cuando este cumpla con las funciones que fueron planteadas en los objetivos.

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11.1 PLANEACION PROTOTIPADO

Estos son los modelos de prototipos que se realizaron con base en el proceso de desarrollo, teniendo en cuenta necesidades, parámetros y costos: Análisis mecánico: Se realizó un análisis de fuerzas para tener una idea del torque que se necesita hacer para que el motor pueda mover la estructura ubicada en la cremallera. - La velocidad deseada para el avance del carro es de 10 cm/ s (0.1 m/s). - El piñón posee 20 dientes.

Por ecuación, las revoluciones sobre el piñón son:

𝑛 = 𝑉 ∗ 60000

𝑑𝑝 ∗ 𝜋=

0.1 ∗ 60000

(5 ∗ 20) ∗ 𝜋= 314.16 𝑟𝑝𝑚

Ahora se desea conocer el torque que debe ejercer el motor para mover el carro que soporta los motores, la hélice y la estructura metálica del mismo.

𝑀 = 𝑑𝑝 ∗ 𝐹𝑣𝑟

2000 ∗ 𝜇

Donde: 𝜇 = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑝𝑖ñ𝑜𝑛 𝑐𝑟𝑒𝑚𝑎𝑙𝑙𝑒𝑟𝑎 𝑦 𝐹𝑣𝑟 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑉𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑅𝑒𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 𝜇 = 90 %

Y 𝐹𝑣𝑟 es calculada teniendo en cuenta la carga que moverá el motor que para este caso son 2.2 Kg que corresponde a todo el peso de la estructura del carro junto con motores. Se adiciona un factor de seguridad de 1.8 apto para tiempos de movimiento entre 30 a 60 minutos y con una carga ligera para lograr la selección de un motor que pueda cumplir a cabalidad las exigencias de funcionamiento de la planta.

𝐹𝑣𝑟 = 1.2 𝐾𝑔 ∗ (3.2721) ∗ 1.8 = 7.06078 𝑁 Por tanto:

𝑀 = 100∗7.0678 𝑁

2000 ∗0.9= 0.392266 𝑁 ∗ 𝑚 Ó 3.95𝐾𝑔 − 𝑐𝑚

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Prueba de motores: Se mandaran señales de control a través de un Arduino y el Driver, de esta forma se podrá observar el comportamiento obtenido por cada una de estas señales y plantear un rango de trabajo para el movimiento de los motores. Movimiento de la estructura: Se ensamblará los motores a la estructura de la cremallera, con el fin de comprobar los movimientos de los motores en esta al igual que en la placa. Prueba de traslación: Se realizará una caracterización por medio del encoder para saber la cantidad de pasos necesarios para que el actuador se desplace totalmente en la cremallera sin exceder o golpear en el final. Prueba de giro de placa: Se realizará una caracterización por medio del sensor angular para determinar el rango de trabajo en el cual se desempeñará la placa del dispositivo. El rango de trabajo de la planta es de [-35 a 35] grados tomando como 0 la posición donde la placa se encuentra en reposo y alineada con las barras soporte de esta misma. (Ver ilustración 42 y 43 donde se realiza la caracterización de la planta) Prueba de códigos: Se realizará una plantilla de código que servirá de base para la toma y envío de datos del dispositivo, como lo son la velocidad, posición del actuador, posición deseada, etc. (Ver ilustración 40). Caracterización sistema: Una vez se tenga todo el sistema debidamente acoplado se procederá a caracterizar la planta para poder calcular los algoritmos de control deseado. Ensamble final: Se probará el controlador calculado para ver en su totalidad el funcionamiento de la placa y corregir aspectos negativos que se puedan ver en el momento en que esta empiece a trabajar.

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12. ANALISIS QFD II

Después de haber analizado la parte de las necesidades y haberla comparado con sus respectivas métricas y además de hacer la comparación con los productos existentes en este caso un producto que llena las expectativas de las necesidades, se procede a analizar la segunda parte de la QFD, donde se analizan las métricas obtenidas de las necesidades versus las características o componentes del sistema o del producto a desarrollar. A continuación se presenta la matriz utilizada para el respectivo análisis de la QFD II. El producto se descompuso en componentes o partes características, estos son: Base o carcasa

Sistema de transmisión y ventilador

Sistema de control

Sistema de alimentación

Sistema de acondicionamiento de señales

Placa

Interfaz

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Tabla 13. QFD II

Teniendo en cuenta ya los pesos relativos del dispositivo, se procede a escoger como parte del proceso un subsistema. Para este caso se eligió todo lo que corresponde al sistema mecánico ya que de este subsistema es de donde más salen e ingresan datos de control, ya que en este subsistema se encuentra lo que es el movimiento del actuador en la cremallera con su respectivo control de posición con los encoders, también se encuentra el motor del ventilador y el control de la velocidad de este. Es por eso que es tan importante esta característica ya que es donde se encuentran gran parte funcional de nuestro sistema. Adicionalmente se escogieron las siguientes características o métricas que debía tener este subsistema del dispositivo entre ellas se encuentran: Los pasos del sistema cremallera piñón

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Las dimensiones del carro donde se encuentra el actuador

El peso del carro donde se encuentra el actuador

Las velocidades de trabajo que presentan los motores

El torque máximo alcanzado por los motores

Fricción entre los ejes de soporte y el carro del actuador Tabla 14. QFD Subsistema

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13. DISEÑO DETALLADO

13.1 DOCUMENTACION ELÉCTRICA

Fuente switcheada 12V. Esta fuente de alimentación se encargará de proveer la energía para los motores que componen el sistema placa ventilador. Se escogió una fuente del tipo Switcheada, debido a su eficiencia energética y por su alta potencia de salida. Además de esto, cuenta con protecciones contra sobre corriente y sobre carga que permiten preservar los demás elementos de la planta.

Protecciones: Corto circuito, sobrecarga, sobre-voltaje, sobre-temperatura Voltaje de salida: 12V Corriente de salida: 10ª Potencia: 120W Dimensiones: 20cm x 10cm x 4.4cm La corriente a máximo torque para los dos motores que compondrán el sistema es de 4 A, lo cual suma 8 A, por tanto se escogió la inmediatamente próxima disponible en el mercado con el fin de garantizar un flujo eléctrico constante hacia los motores sin ningún percance. Ilustración 28. Fuente switcheada 12V

Fuente: Didácticas Electrónicas. Fuente switcheada 12V [en línea]. 2008 [Consultado 25 de Julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/fuentes-adaptadores/fuentes-fijas/12v/fuente-suicheada-12v-10a-120w-detail

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Fuente parte lógica 5V. Alimentación para los dispositivos que utilizan niveles lógicos de voltaje para su funcionamiento como el sistema de desarrollo con microcontrolador y el driver de los motores. Se utilizaron fuentes separadas de voltaje debido a que las fuentes de alimentación multitensión disponibles en el mercado son más costosas y además no poseen la potencia de salida que tienen las fuentes de alimentación de un solo valor de tensión.

Voltaje de entrada: 110VAC/0.5ª - 220VAC/0.25A Potencia: 25W Frecuencia: 47~63 Hz Protección contra cortocircuito, sobrecarga Dimensiones: 8.4x5.8x3.2cm LED indicador de encendido Refrigeración por circulación de aire La potencia que exige el circuito lógico es de aproximadamente 1 W frente a loa 25 w que es capaz de entregar la fuente (hay un 96% de potencia que puede ser utilizada). Esta fue seleccionada con el fin de otorgar un diseño modular en el cual los estudiantes pudieran utilizar motores de menor potencia y no fuera necesario la adición de nuevos circuitos de alimentación externos.

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Ilustración 29. Fuente Parte Lógica 5V

Fuente: Didácticas Electrónicas. Fuente 5V [en línea]. 2010 [Consultado 25 de Julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/fuentes-adaptadores/fuentes-fijas/5v/fuente-suichada-5v-5a-25w-detail

Motor reductor DC. Motor reductor de 12 V de escobillas, equipado con una caja reductora con relación 18.75:1 y un encoder que provee 64 cuentas por revolución. Ideal para aplicaciones donde se necesita un movimiento preciso y fluido gracias a su capacidad de torque elevada. Este motor reductor será utilizado para la traslación de la placa móvil donde se encuentra el sistema hélice-motor. La elección de un motorreductor para esta parte del sistema, se debe a la necesidad de un movimiento de la hélice de forma suave y fluida. Esto no podría ser logrado fácilmente por un motor normal debido a que harías movimientos rápidos y bruscos del sistema de traslación que soporta el bastidor de la hélice. En la sección de prototipado (Ver tabla de contenido) se analizó desde el punto de vista mecánico la dinámica del carro. Este análisis arrojo los valores máximos que debe poseer el motor para realizar la traslación del carro. El torque deseado es de 3.95 Kg*cm, se escogió este motor reductor con esa relación debido a su torque a potencia máxima (5 Kg*cm), el cual está por encima de lo que se requiere brindando así un factor de seguridad extra para el sistema de traslación de la planta.

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Ilustración 30. Motor reductor DC

Fuente: Didácticas Electrónicas. Motor reductor con encoder [en línea]. 2010 [Consultado 25 de Julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/elementos-electromecanicos/motores-y-solenoides-1/motores-dc-1/motorreductor-con-encoder-500rpm-detail Motor dc. Motor de 12V, 11000rpm, Stall torque: 0.3Kg-cm. Integra un encoder de 64 conteos por revolución. Puede funcionar como reemplazo de motores dañados en motor reductores 37D mm de Pololu.

Diámetro: 34.5mm (1.36in) Longitud: 44mm (1.7in) aprox. Consumo de corriente: 300mA sin carga Este motor es el encargado de mover la hélice que provee el flujo de aire hacia la placa metálica. Se escogió un motor que incluye encoder, debido a que de este debe retornar una señal (Velocidad de la hélice) que permita el control del sistema placa-ventilador. Es necesario que este elemento pueda trabajar a altas revoluciones con el fin de proveer un flujo de aire constante hacia la placa metálica.

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Con el fin de generar un flujo de aire constante y que pueda obtener velocidades elevadas, la hélice debe girar a altas revoluciones (8000 rpm en adelante). Por esto fue seleccionado este motor, debido a que puede alcanzar velocidades de hasta 11000 rpm y se ajusta adecuadamente al presupuesto del proyecto.

Ilustración 31. Motor DC sin caja reductora

Fuente: Didácticas Electrónicas. Motor con encoder [en línea]. 2010 [Consultado 25 de Julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/elementos-electromecanicos/motores-y-solenoides-1/motores-dc-1/motor-con-encoder-64-cpr-detail

Driver dual para motor dc. El módulo L298N es el complemento ideal para proyectos de robótica y Router CNC. Permite controlar hasta 2 motores de corriente continua o un motor paso a paso bipolar. También permite controlar un motor paso a paso unipolar configurado como bipolar de forma muy sencilla y eficaz. El módulo permite controlar el sentido de giro y velocidad mediante señales TTL que se pueden obtener de microcontroladores y tarjetas de desarrollo como Arduino, Raspberry Pi y lauchpads de Texas Instruments. Este driver se encarga de manejar la corriente y voltaje que llegan a los dos motores de la planta. Esto se hace mediante la modulación PWM que proviene del sistema de control (Microcontrolador).

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Este módulo soporta cargas de hasta 7A por canal, lo cual está por encima de la corriente a torque máximo (5A) de cada uno de los motores. Se escogió así, para evitar daños en estos dispositivos que no permitan un correcto funcionamiento debido a su gran importancia en el sistema de transmisión de potencia eléctrica. Ilustración 32. Controlador Dual

Fuente: Didácticas Electrónicas. Controlador Dual [en línea]. 2010 [Consultado 25 de Julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/robotica/controladores -1/controlador-dual-2a-detail Modulo bluetooth hc-06. El modulo Bluetooth HC-06 utiliza el protocolo UART RS 232 serial. Es ideal para aplicaciones inalámbricas, fácil de implementar con PC, microcontrolador o módulos Arduino. El sistema Bluetooth es adicionado al sistema con el fin de poder comunicarse con aplicaciones externas basadas en sistemas Android.

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Ilustración 33. Modulo bluetooth hc-06

Fuente: Didácticas Electrónicas. Modulo bluetooth hc-06 [en línea]. 2010 [Consultado 25 de Julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/comunicaciones/modulo-bluetooth-hc06-detail Arduino mega adk rev 3. Explicado con más detalle en la sección 7.3

Fuente: Didácticas Electrónicas. Arduino Mega ADK [en línea]. 2010 [Consultado 25 de Julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/sistemas-de-desarrollo/arduino/tarjetas-arduino/arduino-mega-adk-rev-3-detail

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13.2 ESQUEMA MECANICO Y ENSAMBLE

Ilustración 34. Partes planta placa ventilador

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Ilustración 35. Parte 2 planta placa ventilador

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Ilustración 36. Partes planta placa ventilador

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Ilustración 37. Parte planta placa ventilador

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Ilustración 38 Partes 5 planta placa ventilador

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Ilustración 39 Partes 6 planta placa ventilador

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Tabla 15. Elementos de la planta placa ventilador

# Elemento Nombre del elemento

1 Motor Hélice 2 Motor Desplazamiento 3 Soporte izquierdo motor 4 Soporte derecho placa motor 5 Tornillos soporte placa (derecha) 6 Tornillos soporte placa (izquierda) 7 Cables de conexión para potencia y

control (Motor hélice) 8 Cables de conexión para potencia y

control (Motor Traslación) 9 Carro soporte del motor hélice

10 Eje del motor 11 Piñón de transmisión 12 Placa soporte de motor traslación 13 Tornillos de sujeción entre placa

soporte y motor traslación 14 Estructura del carro 15 Tornillos de sujeción entre placa

soporte y estructura del carro 16 Riel dentado de traslación 17 Rieles de soporte del motor 18 Placa 19 Soporte derecho placa 20 Soporte izquierdo placa 21 Sensor posición angular 22 Soporte sensor posición angular 23 Tornillo del soporte del sensor 24 Tornillos de la placa 25 Eje placa 26 Contrapeso 27 Acople sensor angular 28 Rodamientos 29 Hélice 30 Láminas de seguridad 31 Eje roscado contrapeso 32 Tornillos ejes soporte carro 33 Base planta

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Ensamble del motor hélice. Para desensamblar la estructura que soporta al motor de la hélice es necesario seguir los siguientes pasos: Desconectar los terminales del motor que se conectan a los cables de conexión (7) que vienen del sistema de potencia. Retirar los tornillos que soportan la placa al carro (9) tanto por la parte izquierda como la derecha. (5 y6 respectivamente). Retirar del carro (9) la placa que soporta el motor (12). Retirar la hélice (29) que está sobre el eje del motor (1) mediante sujeción. Retirar el motor (1) del agujero en la placa de soporte. Este está posicionado mediante presión sobre las paredes de la carcasa del motor.

Ensamble de la estructura del sistema de traslación. Desconectar los terminales del motor que se conectan a los cables de conexión (8) que vienen del sistema de potencia.

Retirar el carro (9) de los rieles de soporte (17) y el piñón de transmisión (11) del riel dentado (16). Retirar tornillos entre placa y estructura del carro (15). Retirar motor (2) junto con placa de soporte. Retirar tornillos entre motor y placa de soporte (13). Retirar tornillo de sujeción para el piñón de transmisión (11).

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Ensamble de la placa sensor. Para desensamblar la placa y el sensor es necesario seguir los siguientes pasos: Retire las láminas de seguridad (30) de los extremos aplicando una palanca con un destornillador de pala. Retire el acople del sensor (27) y el eje aplicando presión sobre el prisionero. Retire los tornillos del soporte del sensor (23); afloje el sensor girando la tuerca de su eje y extraiga el sensor (21) con su soporte (22). Retire la pesa (26) girándola como indica la figura. Extraiga el eje roscado (31) halándolo hacia arriba. Retire los tornillos (24 y extraiga la placa (18). Por ultimo extraiga el eje (25) hacia el lado que muestra la figura. Ensamble de los ejes de traslación y cremallera. Para desensamblar los ejes de traslación y la cremallera es necesario seguir los siguientes pasos: Retires los tornillos (34) que unen la base (33) con los soportes del eje hasta que se libere el eje (17); proceda de la misma manera para el resto de soportes y el eje del otro lado.

Retire los tornillos que adhieren la cremallera (16) a la base (33) y extraiga los topes junto con la cremallera.

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14. PLAN DE VALIDACION

Las siguientes pruebas se realizaron en el prototipo para verificar su funcionamiento y evaluar las métricas propuestas en QFD realizado en etapas anteriores Cantidad de interacciones (Prueba 1): Obtener el número de operaciones mínima que debe de realizar el dispositivo para ejercer un orden, donde el usuario deba introducir los parámetros según la posición deseada, capacitando a los usuarios para realizar la correcta operación del dispositivo, una vez realizado esto evaluar con que eficiencia manejan la máquina y demás de esto tomar declaraciones de los usuarios acerca de su experiencia de uso esperando obtener resultados de niveles bajos de complejidad de uso. En la prueba se buscara escoger 5 personas aleatorias de la universidad autónoma de occidente con conocimientos básicos de control y aéreas afines a estas, para que con una pequeña explicación pudieran ser capaces de controlar el dispositivo gracias a la interfaz implementada en Arduino hasta su completo funcionamiento.

Tabla 16. Resultado de las interacciones

Individuo Cantidad de Interacciones Complejidad

1 65 Media 2 42 Media – baja 3 89 Media – Alta 4 51 Media 5 67 Media - Alta

Se pudo observar que la desviación de cantidad de interacciones entre cada individuo estaba más enfocada en lo personal y en como se manipula el software y los elementos como cableado y bornes puesto a disposición, más no en la configuración de los parámetros de control de la máquina. Precisión (Prueba 2): Para la ejecución de esta prueba se dispondrá de una misma posición deseada para la cual el dispositivo deberá ubicar la placa en 20 ocasiones distintas buscando obtener una variación angular no mayor a un 1 grado de diferencia entre ellas.

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En esta prueba se busca corregir pequeños errores que pueda tener el sistema mecánico del dispositivo y que este no se vea afectado en el momento de realizar gran cantidad de repeticiones en el momento de trabajar. Para esta prueba se utilizó el controlador PID implementado en Arduino con una posición deseada de la placa de 27 grados. Los resultados fueron los siguientes:

27 ± 0.4 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 Esto indica que el error promedio del sistema es de +/- 0.4 grados lo cual está por debajo de lo deseado (No mayor a 1 grado de diferencia). Exactitud (Prueba 3): Se procederá a la ejecución del dispositivo durante un periodo de tiempo y con diferentes valores deseados buscando ver en que tanto difiere este valor deseado y el valor real obtenido por el dispositivo. Esta prueba se realizó utilizando el algoritmo de control PID implementado en Arduino.

Tabla 17. Resultados de exactitud.

Posición deseada [grados] Posición actual [grados]

10 11.3 11 10.2 12 11.4 13 12.5 14 13.8 15 14.7 16 16.2 17 16.9 18 18.4 19 18.8 20 20.2 21 21.3 22 22.4 23 23.2 24 24.1 25 25.1 26 26.3 27 27.2 28 27.8 29 28.9

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Se pudo observar que en posiciones deseadas por debajo de 15 grados, el sistema varía mucho su medición. Esto se debe principalmente a las características físicas del sistema que en ese rango fluctúa muy rápidamente a los cambio de velocidad del viento lo que no otorga una medida precisa del cambio en el ángulo de inclinación de la placa. Tiempo de respuesta (Prueba 4): Con un cronometro se tomara los tiempos de una muestra de respuesta para 20 posiciones distintas de la placa y cronometrara a partir de que se introducen la posición deseada y luego comparando con el tiempo de respuesta que entrego el algoritmo de control calculado por Matlab.

𝑡 = 3.0 ± 0.3 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 Se observó que la planta posee un tiempo de muerto de 3.0 +/- 0.3 segundos. Lo cual se puede observar en las ilustraciones 40 y 41 de la caracterización de la planta. Número de incidentes (Prueba 5): Se puso a trabajar el sistema durante un largo tiempo para observar si existen fallas en el funcionamiento de los componentes asociados, si esta manera no obtuviera un dato inmediatamente, se buscara la hoja de datos del fabricante de cada componente del sistema obteniendo así el MTTF (Tiempo medio hasta fallo) de cada componente y nos basaremos en el tiempo más bajo de ente todos los componentes del sistema, se busca que el tiempo de trabajo sea elevado garantizando la satisfacción de nuestros usuarios. La planta estuvo en funcionamiento constante 10 horas con 30 minutos y no se presentó ninguna falla tanto a nivel estructural, mecánico o eléctrico. Por esto, se observaron las hojas técnicas de los dispositivos que componen la planta y se planteó un fallo teórico del tiempo de falla más bajo entre estos dando como resultado la falla por daño en bobinados del motor de la hélice en un tiempo estimado de 74.5 horas de trabajo continuo. Rango de operaciones (Prueba 6): se llevó el dispositivo hasta sus posiciones más extremas para verificar que no existía ningún error ya sea en el caso de la cremallera un choque con los topes o en el caso de la placa una deficiencia a la hora de poder ubicarse en los ángulos de -90 y 90 grados.

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Por las condiciones físicas de la máquina se observó que el verdadero rango de trabajo está entre -35 a 35 grados más no el rango inicial de -90 a 90 grados. Esto se debe a que a pesar que el flujo de aire aumente su velocidad, el ángulo de impacto respecto a la placa sigue siendo el mismo lo que no permite mayores inclinaciones de la placa. Para futuras mejores se podría plantear el adicionar un grado de libertad a la máquina mediante la implementación de la variación del ángulo de penetración del viento contra la placa. Además se observó que el rango de operación del sistema de traslación debe estar entre 5 a 19 cm según la posición relativa del carro respecto al sistema de ubicación de la planta (regla milimétrica) para que este no dañe otros componentes del sistema como lo son el sensor de posición ultrasónico ubicado en el extremo izquierdo (observado la máquina desde el frente) y tampoco pueda chocar la hélice con la placa mientras esta esté siendo controlada para ángulos positivos. Mantenimiento (Prueba 7): Se medirá el tiempo que demora hacerle un mantenimiento básico al dispositivo, este mantenimiento es desarmando, limpiando las piezas importantes y rearmando el dispositivo.

Tabla 18. Resultados de mantenimiento

Operación Tiempo [min]

Desmonte carro completo 25 Lubricación Rieles, cremallera, piñonería 8

Chequeo componentes electrónicos 25 Desmonte placa 18

Lubricación rodamientos 5 Montaje placa 22

Montaje carro completo 25 Total 128

Para hacer un mantenimiento completo de la planta placa ventilador, haciendo un recorrido por todos los componentes tanto eléctricos, mecánicos como estructurales se requiere de aproximadamente 2 horas con 8 minutos.

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Tabla 19. Matriz de trazabilidad de requerimientos

Can

tidad

de

inte

racc

ione

s

Pre

cisi

ón

Exa

ctitu

d

Tiem

po d

e re

spue

sta

Núm

ero

de in

cide

ntes

Ran

go d

e op

erac

ione

s

Man

teni

mie

nto

Prueba Cumplimiento esperado 1 Alto X 2 Alto X X 3 Alto X X 4 Medio X 5 Alto X 6 Medio X 7 Alto X

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15. DISEÑO PARA EL MEDIO AMBIENTE

El análisis del diseño para medio ambiente permite generar lineamientos para el diseño de los sistemas evaluados, con los que se mejoran sus aspectos de fabricación y operación de manera que se proteja el medio ambiente. Se realiza un uso sostenible de recursos, se reduce la producción de desechos, mejora el uso de la energía y ajusta los parámetros o elementos del dispositivo a las reglamentaciones actuales. Sin embargo no siempre es posible atacar todas las problemáticas al mismo tiempo y lograr soluciones óptimas para todas. Por ello se ha establecido que el objetivo de evaluar el diseño del dispositivo para el medio ambiente se centra básicamente en la reducción del consumo de energía, el aumento del ciclo de vida úti l, el reciclaje de componentes y la producción de desechos. Siguiendo con la identificación del aspecto ambiental del dispositivo, se realiza la calificación o evaluación de la matriz de productos ambientales responsables para la planta, obteniendo como resultado lo siguiente: Tabla 19. Matriz SLCA

Etapa del ciclo

de vida

Consideraciones Ambientales Selección de

materiales Consumo de

energía Residuos solidos

Residuos líquidos

Residuos gaseosos Total

Extracción de recursos 2 1 3 3 2 11

Manufactura de Producto 3 3 3 3 3 15

Empaque y Transporte 2 2 3 3 2 12

Uso del Producto 3 2 2 3 4 14

Reciclaje y desecho 3 3 3 2 4 15

Total 13 11 14 14 14 66 En base a la información recopilada en la tabla anterior se puede estimar el impacto ambiental de cada etapa, sin profundizar mucho, debido a la limitación que se tiene por falta de cálculos y comprobación de algunas variables como por ejemplo la energía total consumida, que se debe medir por ciclos de trabajo en el prototipo.

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Por lo tanto se estima que el proceso genera un poco desperdicios de material, puesto que los elementos que componen la máquina son casi todos de elaboración propia y requiere la utilización de maquinaria especializada para el desarrollo de algunas de las piezas. Por otra parte solo se realiza un proceso básico de ensamblaje, en el cual no utiliza energía eléctrica ya que se puede ensamblar manualmente toda la planta. También se tiene una producción de desechos durante el proceso de transporte, puesto que la máquina debe ser empacada para proteger su integridad con materiales que normalmente son desechados después de su uso. De igual forma se presenta un gran consumo energético en dicho proceso, que al implicar combustión se traduce en la emanación de gases. Los procesos solo requieren energía eléctrica, cuyo consumo dependerá de los dispositivos utilizados para desarrollar las determinadas actividades, sin embargo los materiales para empaque pueden representar una fuente de desechos por parte de los tornillos y tuercas, que al no ser útiles en otras aplicaciones no permiten su reutilización. En cuanto al consumo energético, se utilizan herramientas de bajo consumo en ciclos de trabajo cortos. Sin embargo siempre está presente en todas las etapas de vida útil del producto debido a que para su empaque y transporte siempre habrá consumo de energía de máquinas empacadoras, etc.

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16. DISEÑO PARA ENSAMBLAJE (DPE)

El índice de tiempos para ensamblaje está dado como Indice DPE =

120 ∗30s

7200s= 0.5

16.1 INTEGRACION DE PARTES

Se realizó integración de algunas partes en el dispositivo, aunque fue un proceso tedioso debido a que algunos de los componentes por ser estándar, al momento de integrarlos con otros que no lo son, se tenía que acondicionar dichos ensambles con partes adicionales que pudieran acoplar debidamente los componentes, de esta manera incrementando los costos de manufactura debido a que al ser piezas propiamente elaboradas se requiere utilización de maquina especializada. 16.2 MAXIMIZACIÓN DE LA FACILIDAD DE ENSAMBLAJE

Este aspecto busca que los ensambles realizados en el dispositivo sean lo más sencillos posibles, ya sea desde solo ajustes por presión así como el uso de herramientas convencionales como lo son los destornilladores, llaves hallen, pinzas, alicates, etc. 16.3 ENSAMBLE POR PARTE DEL USUARIO

Evaluando los ítems anteriores, se conoce que el ensamble del dispositivo es un poco prolongado, debido al uso de herramientas y variedad de ajustes que requieren ser orientados.

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17. DISEÑO SISTEMA DE CONTROL

El primer paso para diseñar los controladores fue obtener la función de transferencia de la planta a controlar, esto se logró gracias al método Stark, y el uso de Arduino como tarjeta de adquisición de datos en la cual se obtiene una interacción computador-planta mediante la interfaz Simulink del software MATLAB para poder lograr la caracterizar la planta. Inicialmente es necesario correr en Arduino el código llamado “adioe.pde” disponible en internet, para que este establezca una conexión con Matlab. Una vez realizado esto es necesario realizar la siguiente conexión: Ilustración 40. Conexión computador planta con Arduino como tarjeta de adquisición de datos.

La señal de salida de tensión que genera el sensor angular se conecta al Pin 0 del Analog Read del Arduino para poder obtener en el Software los datos en tiempo real de salida. Adicionalmente a esto es necesario realizar un escalamiento para asegurar que el rango que entrega el sensor sea el mismo rango real en el que se encuentra la placa.

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La señal de salida de tensión que genera el Software Matlab se conecta al Pin 4 del Analog Write del Arduino pero luego de realizarle una ganancia que corresponde a una relación entre el ángulo deseado y la velocidad del motor.

También es necesario adicionar los bloques Setup Arduino 1 (en el COM que se esté trabajando en el Arduino) y Real-Time Pacer Speed up ya que estos bloques son los que establecen la inicialización de toma de datos en tiempo real con Arduino.

Por último se tiene el bloque Arduino 1 Digital Write conectado al Pin 5, que corresponde al sentido en que girara el motor (0 para un lado y 1 lado contrario).

Método Stark. Este método consiste en aplicar una serie de ecuaciones planteadas por medio de tres puntos de la curva de reacción, los cuales tiene valores del 15%, 45% y 75% del valor final. Ilustración 41. Curva de reacción utilizada por Stark

Las ecuaciones correspondientes son:

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𝑥 =𝑡45 − 𝑡15

𝑡75 − 𝑡15

𝛿 =0,0805 − 5,547(0,475 − 𝑥)2

𝑥 − 0,356

Si el 𝛿 > 1,

𝑓2 (𝛿) = 2,6(𝛿) − 0,60

𝜔𝑛 = 𝑓2(𝛿)

𝑡75 − 𝑡15

𝜏1,2 =𝛿 ± √𝛿2 − 1

𝜔𝑛

𝑓3(𝛿) = 0,922(1.66)𝛿

H(s) =K

(τ1s + 1)(τ2s + 1)

Si el 𝛿 < 1,

𝑓2 (𝛿) = 0,708(2,811)𝛿

𝜔𝑛 =𝑓2(𝛿)

𝑡75 − 𝑡15

𝑓3(𝛿) = 0,922(1,66)𝛿

𝐻(𝑠) =𝜔𝑛

2𝐾𝑝

𝑠2 + 2𝜔𝑛𝛿 ∙ 𝑠 + 𝜔𝑛2

17.1 CARACTERIZACIÓN DE LA PLANTA

Una vez realizada la conexión se procede a enviar una posición angular deseada la cual corresponde a 40° en este caso, para posteriormente procesar los datos que salen del sensor angular en Matlab. A continuación se presenta la señal de salida obtenida de planta.

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Ilustración 42. Caracterización de la planta

Como se puede observar¸ la respuesta que ofrece el sensor de salida respecto a la entrada es demasiado baja. Esto quiere decir que la planta posee ganancia muy pequeña. Mediante el uso del comando Median aplicado en Matlab sobre todo el vector de salida de los datos reales se estableció que el valor promedio de salida de los datos reales es 12°. Por tanto, inmediatamente se puede conocer un valor estimativo de la ganancia de la planta:

𝑘 =12

40= 0.3

Una vez obtenido los datos reales de la planta, se procede a realizar la identificación de la función de transferencia haciendo uso del método de identificación de planta Stark.

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Ilustración 43. Método Stark

Entonces, se encontró:

𝒕𝟕𝟓 = 0,94 𝒕𝟒𝟓 = 0,71 𝒕𝟏𝟓 = 0,495

𝒙 =0,71 − 0,495

0,94 − 0,495= 0,4831

𝛿 =0,0805 − 5,547(0,475 − 0,4831)2

0,4831 − 0,356= 0,63

Como el 𝛿 < 1,

𝑓2(𝛿) = 0,708(2,811)0,63 = 1,3577

𝜔𝑛 =1,3577

0,94 − 0,495= 3,05

𝐻(𝑠) =(3,05)2 ∗ 0,3

𝑠2 + 2(0,63)(3,05)𝑠 + (3,05)2

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H(s) =2,79

𝑠2 + 3,843𝑠 + 9,3025

Para verificar se graficó la función de transferencia calculada ingresando un escalón de 40°, obteniendo como resultado una respuesta muy similar a la tomada en tiempo real en la caracterización. Ilustración 44. Respuesta de la función de transferencia

17.2 CALCULO DE CONTROLADORES

Observador Continuo. Ya obtenida la función de transferencia que modela la placa de la planta se procedió a realizar y calcular el control para un observador continuo como se muestra a continuación:

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�̇� = [−3.8430 −9.30251 0

] 𝑥 + [10

] 𝑢

𝑦 = [0 2.79] 𝑥

Con una ecuación deseada que tenga un tiempo de estabilización a 5 segundos y que la respuesta sea críticamente amortiguada.

𝑒𝑐𝑢. 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎 = 𝑠3 + 1.6𝑠2 + 0.6530 Las siguientes son matrices aumentadas:

𝑎𝑎 = [−3.8430 −9.3025 0

1 0 00 −2.79 0

] & 𝑏𝑎 = [100

]

Y la siguiente matriz es la de ganancia:

𝐾𝑡 = [17.7570 23.3505 −4.6810]

𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝐾𝑝 = [17.7570 23.3505]

𝐾𝑖 = [−4.6810] Además las ganancias del observador:

ℎ = [58.8478 5.5097] A continuación se presenta el diagrama de bloques utilizado para el controlador calculado

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Ilustración 45. Diagrama de bloques de observador continúo.

Observador Discreto. A continuación se presenta el control con observador discreto del sistema, para esto se discretizó la función de transferencia de la planta con un tiempo de muestre igual a 0,2.

H(z) =0,0153𝑧 + 0,0118

𝑧2 − 1.2119 + 0,4637

Con esta función discretizada se realiza el observador discreto:

�̇� = [0.3539 −1.22000.1311 0.8579

] 𝑥 + [0.13110.0153

] 𝑢

𝑦 = [0 2.79] 𝑥 Las siguientes son matrices aumentadas:

𝑎𝑎𝑑 = [0.3539 −1.2200 00.1311 0.8579 0

0 −2.7900 1]

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𝑏𝑎𝑑 = [0.13110.0153

0

]

Y la siguiente matriz es la de ganancia:

𝐾𝑑 = [3.5237 1.8067 −0.2900]

𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝐾𝑝𝑑 = [3.5237 1.8067]

𝐾𝑖𝑑 = [−0.2900] Además las ganancias del observador:

ℎ𝑑 = [0.1664 0.5095] A continuación se presenta el diagrama de bloques utilizado para el controlador calculado Ilustración 46. Diagrama de bloques de observador discreto.

PID. A continuación se presenta un controlador PID con una ecuación deseada que tenga un tiempo de estabilización a 5 segundos y que la respuesta sea críticamente amortiguada.

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Sabiendo que la ecuación de un PID para una función de segundo orden es:

𝐾𝑐(𝑇𝑖𝑇𝑑𝑆 2 + 𝑇𝑖𝑆 + 1)

𝑇𝑖𝑆

Se procede a multiplicar con la función de transferencia de la planta y posteriormente aplicar algebra de bloques reduciéndolo como un sistema retroalimentado obteniendo de esta manera una sola función de transferencia siendo:

H(s) =

2,79(𝑇𝑖𝑇𝑑 𝑠2 + 𝑇𝑖 𝑠 + 1)𝐾𝑐𝑇𝑖

𝑠3 + (3,843 + 2,79𝐻𝑐𝑇𝑑)𝑠2 + (9,303 + 2,79𝐾𝑐)𝑠 +2,79𝐾𝑐

𝑇𝑖

Es necesario aumentar un orden a la función deseada ya que se requiere que sea del mismo orden que la función anterior, por lo que se agrega un polo alejado 10 veces obteniendo la siguiente ecuación deseada

𝑠3 + 11,6 𝑠2 + 16,64 𝑠 + 6,4 Una vez establecida la ecuación deseada se iguala con el denominador de H(s) de esta manera obteniendo las variables del controlador PID

𝐾𝑐 = 0.3669

𝑇𝑖 = 1.1465

𝑇𝑑 = 1.0572 A continuación se presenta el diagrama de bloques utilizado para el controlador calculado:

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Ilustración 47. Diagramas de bloque de controlador PID

PID basado en plataforma de Desarrollo ARDUINO. Para este controlador se utilizaron las constantes Kc, Ti y Td calculadas anteriormente. La diferencia radica en la implementación del controlador, la cual, para este caso fue realizada en la plataforma de desarrollo ARDUINO. Para este diseño, se uti lizó la app creada con el fin de poder cambiar en cualquier momento los parámetros que controlan la planta, el set point y el tiempo de muestreo para esta. El código fuente de la implementación del controlador se encuentra en la sección de anexos (anexo D).

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18. RESULTADOS Una vez se implementaron los controladores inicialmente calculados se dio cuenta que la planta al presentar una ganancia tan pequeña, el esfuerzo de control que requería hacer el controlador era mucho y debido a que todos los sistemas están saturados a la velocidad máxima que entrega la hélice (siendo esta 255), este no es capaz de llevar la placa al ángulo deseado. A continuación se muestra una simulación donde se puede evidenciar esto: Ilustración 48. Simulación de controlador con observador continuo

Como se puede apreciar en la anterior ilustración, la línea azul corresponde a la referencia angular que se quiere seguir, siendo esta 30°, la línea roja corresponde a la salida de la planta, la cual sigue correctamente la referencia sin ningún error de estado estacionario, sin ningún tiempo muerto y con el tiempo de estabilización corto. El problema se evidencia en la línea verde que corresponde al esfuerzo de control, la cual es un poco mayor a tres veces la salida de la planta, ocasionando que el controlador no pueda ubicar la placa en la posición deseada ya que esta por cuestiones de seguridad de la planta está saturada 55° que corresponde el ángulo máximo que podría alcanzar la placa girando la hélice a su velocidad máxima la cual es 255.

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Por esta razón fue necesario adicionar una ganancia interna en la función de transferencia original corrigiendo de esta manera dicho error, quedando la función de transferencia de la siguiente manera:

H(s) =20

𝑠2 + 3,843𝑠 + 9,3025

Con esta nueva función de transferencia se calcula nuevamente los controladores y a continuación se presenta la simulación que corresponde al controlador con observador continuo. Ilustración 49. Simulación nueva para controlador con observador continuo.

Como se observa con esta nueva ganancia fue posible reducir casi a la mitad del esfuerzo de control con respecto a la salida de la planta, corrigiendo así el problema que se estaba presentando. En los Anexos A, B y C se puede observar el código detallado de los cálculos de los controladores con observador continuo, discreto y PID respectivamente. Observador de estados en continuo. Para probar el correcto funcionamiento del controlador se puso una entrada referencia constante de 20° como prueba, obteniendo la siguiente respuesta:

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Ilustración 50. Respuesta Observador Continuo

Como se puede ver, el error de estado estacionario se elimina completamente ya que la respuesta del sistema (línea verde) sigue al escalón de entrada (línea azul) adecuadamente. A pesar de que existe un tiempo muerto, una vez la placa empieza a buscar la posición deseada, esta se demora 5 segundos como era deseado. Otra cosa que cabe resaltar es que puede parecer que la respuesta está oscilando pero esto se debe al tiempo de muestreo con que se está trabajando en el Arduino. Observador de estados en discreto. Para una referencia constante de 15° y un tiempo de estabilización menor el controlador responde de la siguiente manera:

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Ilustración 51. Respuesta observador discreto.

En el controlador con observador de estado en discreto se puede observar que al igual que el continuo sigue correctamente la referencia, también existe un tiempo muerto de aproximadamente 5 segundos. Es importante resaltar que el tiempo de muestreo con el que se calcule el controlador debe ser el mismo tiempo de muestreo con el que se está trabajando en Arduino. PID. Por último se tiene la respuesta del controlador PID para una referencia constante de 15° y un tiempo de estabilización 4 segundos, el controlador responde de la siguiente manera:

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Ilustración 52. Respuesta PID

Al igual que los anteriores dos controladores este trabaja correctamente siguiendo la referencia, además que este presenta un tiempo muerto menor al de los otros dos controladores. Ilustración 53. Respuesta PID implementado en plataforma Arduino.

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La respuesta de este controlador se esperaría fuera con un sobre pico menor al del PID implementado inmediatamente anterior ya que fueron utilizados los mismos valores para las constantes del controlador. Esto se debe a que inicialmente el controlador envía un esfuerzo de control mayor (20 – 25%) al que es enviado en el otro controlador PID. La razón principal es la implementación alcanzada mediante la plataforma de desarrollo Arduino, que a diferencia de los cálculos robustos que realiza un software dedicado como Matlab, limita las capacidades de reacción del controlador provocando este sobre pico.

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19. DISEÑO SISTEMA DE COMUNICACIÓN

Debido a que se ha planteado como meta, el permitir la mayor usabilidad y fácil interacción con el usuario para la planta placa ventilador, se optó para realizar la implementación de una interfaz hombre-máquina mediante un medio móvil. Se escogió para la implementación, el sistema operativo Android por ser este el más utilizado actualmente. Además de esto, el sistema embebido escogido para nuestro caso (Arduino Mega ADK) cuenta con un API pre instalado la cual permite una facilidad de interacción con dispositivos móviles con este sistema operativo. El aplicativo desarrollado se encuentra basado en el desarrollo por bloques de funciones desarrollado por el instituto tecnológico de Massachusetts (MIT) bajo el nombre de MIT App Inventor 2. Este fue seleccionado debido a su alta aplicabilidad y manejo sencillo por lo cual funciona de manera adecuada para el proyecto planteado en el cual los parámetros del sistema de control como ganancias, constantes, tiempos de muestreo y Set Points serán enviados a través de tecnología inalámbrica Bluetooth al sistema de control alojado en la plataforma Arduino MEGA ADK.

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Ilustración 54. Menú principal del aplicativo.

En la pantalla principal del aplicativo desarrollado se realiza la conexión al dispositivo Bluetooth conectado al sistema embebido. Además se ingresan los parámetros Kp, Ti, Td y tiempo de muestreo para controlar el sistema placa ventilador. Además en el campo de texto llamado “Planta”, el sistema de control envía la señal de estado actual para brindar en tiempo real la posición de la placa.

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20. RESTRICCIONES DE USO

Una vez el ventilador este trabajando el usuario no debe interactuar de ninguna manera con la parte interna del acrílico. Revisar que las conexiones están realizadas adecuadamente antes de correr cualquier programa. Es importante colocar un saturador a la entrada y salida de la planta en el diagrama de bloques de los controladores debido a cuestiones de seguridad ya que puede presentarse un esfuerzo de control demasiado alto el cual afecte los componentes. Si se piensa uti lizar el Arduino como tarjeta de adquisición de datos es obligatorio correr el programa “adioe.pde” ya que este programa es el que permite la conexión entre Arduino y Matlab. De igual manera es necesario adicionar los bloques Setup Arduino 1 (en el COM que se esté trabajando en el Arduino) y Real-Time Pacer Speed up en los diagramas de bloques ya que estos bloques son los que establecen la inicialización de toma de datos en tiempo real con Arduino.

Antes de cualquier caracterización es necesario realizar un escalamiento al sensor angular ya que los valores que arroja este no corresponde directamente al ángulo real en el que se encuentra. En el momento de realizar un controlador discreto es obligatorio que el tiempo de muestreo sea igual tanto en el programa de Matlab como en el Arduino.

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21. CONCLUSIONES

Mediante el uso adecuado de las herramientas para diseño de ensamble, se puede lograr a obtener una vista general de cómo sería el proceso de fabricación del producto, y por tanto dar soluciones previas para evitar al máximo los sobre costos a causa de procesos de ensamble mal diseñados y poco eficientes. Desde el diseño se logró concretar las características que hacen del dispositivo, un sistema apropiado no solo para la resolución de una determinada problemática, sino también para la ejecución de las diferentes etapas de vida del producto. Para ello es evaluado desde los puntos de vista de la manufactura y el ensamble con la intención de refinar y contextualizar aún más los criterios de diseño, para que se ajusten a la realidad en la que va a operar el dispositivo. La matriz de trazabilidad logro observar las distintas pruebas a realizar con el fin de confirmar el correcto cumplimiento de las métricas del proyecto también se evidencia el cumplimiento de las pruebas y sus variantes en la ejecución, se aprecia cual es el resultado de cumplimento esperado de la prueba por cada métrica. En el diseño de los controladores, para el caso de este tipo de sistema, es recomendable buscar respuestas del sistema sobre amortiguadas. Esto se hace con el fin de garantizar un rápido alcance del setpoint ya que, debido a la naturaleza, estructura y materiales uti lizados para la placa metálica, grandes cambios en poco tiempo pueden provocar sobre impulsos que pueden ser difíciles de estabilizar. Entonces, es necesario hacer una calibración de la relación entre el tiempo de estabilización y el sobre impulso para un funcionamiento adecuado del sistema. Además, en la parte de control se pudo evidenciar que a pesar de las grandes facilidades de manejo que ofrece una plataforma basada en microcontroladores como lo es Arduino. Para algunos tipos de controladores que requieran una mayor capacidad de respuesta por parte del microprocesador, este tipo de plataformas no funciona adecuadamente. Esto puede deberse si bien a el lenguaje de alto nivel que posee para el desarrollo de estos aplicativos y que por lo tanto obstruye al usuario en la optimización de algoritmos de calculo que pueden aumentar la capacidad de computo, o bien las limitadas capacidades de frecuencia (en el orden de los MHZ) comparado a un microprocesador de un ordenador (En el orden de los GHz).

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A pesar de que la distancia del carro se pueda modificar con respecto a la placa no significa que el flujo de aire se verá afectado drásticamente, esto se debe a que el rango de trabajo que presenta el carro es demasiado corto para que presente un cambio significativo en el rango de trabajo de la placa. Adicionalmente, aunque se lograra este cambio significativo sobre el rango de la placa sería muy difícil poder realizar el control sobre la posición del carro, ya que a pesar de que dicha posición se esté monitoreando con el sensor ultrasónico, el rango de trabajo al ser tan limitado, cuando se presenten cambios bruscos por parte de la placa el carro tratara de contrarrestar estos cambios buscando rápidamente una posición que permita seguir la referencia deseada de la placa, esto puede ocasionar que el carro, al llevar una alta inercia golpee con los topes finales antes de que el sensor ultrasónico pueda dar aviso de esto. Para el controlador discreto, al garantizar que el tiempo de muestreo es el mismo tanto para el cálculo del controlador así como en la toma de muestras del Arduino se logra una adecuada sincronización en el momento de recibir y enviar las señales de control a la planta. De no ser así llegara un punto en que el controlador no pueda con el envío de datos hacia la planta y el programa dejara de trabajar. Antes de aplicar cualquier controlador en cualquier planta es importante realizar una simulación donde se pueda analizar el funcionamiento de este, las posibles fallas y consecuencias al momento de aplicarlo en la planta real. En nuestro caso nos sirvió para darnos cuenta de que aunque se halló correctamente la función de transferencia de la planta, el esfuerzo de control que requería hacer los controladores para trabajar correctamente era demasiado alto por lo que si se llevaba a la practica el controlador se iba a saturar antes de poder llegar a la posición deseada de la placa.

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ANEXOS

Anexo A. Código para el cálculo del controlador con variables de estado continuo Matlab.

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Anexo B. Código para el cálculo del controlador con variables de estado

discreto Matlab.

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Anexo C. Código para el cálculo del controlador PID Matlab.

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Anexo D. Código controlador PID implementado en Arduino.

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Anexo E. Planta Placa Ventilador finalizada

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Anexo F. Esquema de conexiones