Reducción de histéresis y ajuste a cero en servo válvulas ...

CIINDET 2010

VIII Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico,

24 al 26 de noviembre de 2010, Cuernavaca Morelos, México.

567 1

Reducción de histéresis y ajuste a cero en servo válvulas DMX512

por medio un controlador PID aplicado a fuentes acuáticas

musicales

E. C. Capuano Zúñiga student member IEEE. M. García Quijada

Resumen: Hoy en día es muy común la utilización de

fuentes musicales danzantes o comúnmente conocidas

como fuentes coreográficas musicales por

organizaciones de gobierno así como personales con

elevado estatus económico. Este tipo de fuentes brindan

al lugar que las hospedan una estética y elegancia

elevada así como también una oportunidad de

interacción y entretenimiento relevante. Sin embargo,

debido a los elevados costos, principalmente de

instrumentación y control, hacen difícil su adquisición,

e implementación final. Uno de los principales

componentes que forman parte del sistema son las

servo válvulas, que son encargadas de mantener el

chorro de agua a una cierta altura, esto lográndose por

medio de un sistema electrónico de control que controla

la apertura y por ende el caudal de la válvula. En este

artículo se describe la propuesta tecnológica del diseño

de un sistema de control para válvulas de globo con

apertura por protocolo de comunicación comercial

DMX512 y una reducción considerable de histéresis y

ajuste a cero por medio de un controlador PID.

Abstract: Now a day it is very common the use of

musical fountains that are meanly required by

government areas or high economical resources

customers. These fountains are also known as dancing

fountains or choreographic musical fountains. This kind

of entertainment systems offer great visual and elegant

appearance to the place where it is hosted. However,

due to high development and implementation cost, not

all potential customers can acquire this kind of projects.

One of the main components the fountains is compose

with are the servo controlled valves, used it for

controlling the water stream height. This article

contains a technological proposal of a complete control

system design applied to globe valves for controlling

the flow level trough a DMX512 commercial protocol

including primary the reduction of the hysteresis and

zero adjustment in servo controlled valves applied to

musical fountains trough a PID controller. In other

words, the main objective of this proposal consists in

controlling the water flowing inside the valve using a

commercial protocol to assign the valve aperture

serially.

Keywords: musical fountains, servo controlled valves,

DMX512, PID, choreographic, special effects.

Introducción

Actualmente, es muy común encontrar sistemas de

entretenimiento con coreografías de agua y luces

multicolores [11]. Este tipo de entretenimientos está

basado principalmente en la construcción de obras

civiles con estructuras de fuentes acuáticas simples[10],

sin embargo, no solo desempeñan funciones de fuentes

acuáticas comunes sino que también involucran

componentes esenciales como chorros de agua a

mediana presión con control de altura, luces

multicolores de alta potencia y animaciones con

movimiento de estos efectos especiales, pero

principalmente sincronizados por una pista musical,

esto es, los chorros de agua y las luces cambian sus

estados continuamente para tratar de representar los

cambios en las pistas musicales síncronamente.

Los componentes encargados de crear los chorros de

agua son las válvulas, estos componentes pueden

comportarse de maneras diferentes y tener extensos

diseños. Las válvulas que solamente abren y cierran su

actuador al máximo se llaman electro válvulas y son

usadas comúnmente en procesos en los que solo se

requiere o no el flujo del líquido en el interior de la

válvula [13]. Por otro lado existen válvulas con caudal

________________________________________________________ Ernesto Carlos Capuano Zuñiga ([email protected])

M.C. Manuel García Quijada ([email protected])

Universidad Autónoma de Querétaro, Campus San Juan del Río,

Moctezuma S/N, San Juan del Río, Querétaro, México. www.uaq.mx

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24 al 26 de octubre de 2010, Cuernavaca Morelos, México

2

controlado y válvulas de presión controlada así como

muchos más tipos pero en esta investigación solo se

hace referencia principalmente a las válvulas de flujo

controlado debido a que es necesario controlar el

flujo[14]. Existen variadas empresas dedicadas al

diseño, desarrollo y comercialización de válvulas de

control de flujo o también llamadas válvulas servo

controladas, pero con precios demasiado elevados

(arriba de 16,000 MX.) que hacen muy difícil su

adquisición y mantenimiento. Los tipos de válvulas

comerciales funcionan con vástagos de tornillo que

mueven el actuador girándolo con un gran torque y

velocidad, lo que hace que el motor y los componentes

internos tengan elevados costos. Existen también otros

tipos de válvulas que funcionan principalmente con aire

para mover el actuador y controlar la apertura de la

válvula en determinados instantes por medio de un

voltaje variable suministrado en la bobina del actuador,

pero se encuentra en precios que van desde los 24,000 a

los 34,000 pesos mexicanos. Debido a que estas

últimas cuentan con demasiados componentes, el precio

de fabricación y comercialización se incrementa de

manera drástica.

Con referencia a las válvulas comerciales que se

utilizan para la construcción de fuentes musicales se

han analizado las válvulas serie 1X de la compañía

Rexroth (del grupo Bosh, compañía líder en

fabricación y comercialización de válvulas de variados

tipos para la industria y con un gran nivel de ventas a

nivel mundial) y se ha tomado como referencia su

funcionalidad y gran parecido con el desempeño de las

válvulas usadas en fuentes musicales [12]. Este tipo de

válvulas cuenta con una solenoide proporcional que

mueve un vástago de metal en el interior de la válvula

para permitir la entrada de un flujo proporcional y por

tanto un salida mesurada de manera proporcional a la

relación de voltaje en la entrada de la bobina. Una de

las principales desventajas de este tipo de válvulas

como ya se había comentado es el elevado costo y la

máxima velocidad de cambio de flujo en el interior de

la válvula, esto debido a la baja velocidad de respuesta

de las bobinas proporcionales [5].

Para el desarrollo de este artículo también se han

tomado en consideración diseños de varios fabricantes

como: moog, paker y burkert entre otras.

También cabe mencionar que los voltajes de trabajo de

las válvulas comerciales son de 2 a 10 volts

comúnmente, que serán los que indiquen la apertura de

manera proporcional a su valor. Esto último hace de la

válvula un dispositivo que tiene que ser utilizado por

tarjetas de control que trabajen con esos voltajes y con

corrientes ya definidas por la compañía que los fabrica.

Por otro lado durante la implementación de una fuente

musical se requiere más de una válvula para realizar

una coreografía visible por lo que se deben de tener

tarjetas de control para válvulas con capacidades

grandes de manejo de señales así como también un

control independiente en cada dispositivo. Pare evitar

de manera la conectividad excesiva de muchas válvulas

con valores independientes las compañías han decidido

utilizar un protocolo de comunicación serial para

dispositivos de efectos especiales utilizado

comúnmente; este protocolo se llama DMX512

(Digital MultipleX de 512 canales máximo) [10] y

consiste en enviar 512 datos de ocho bits a cada

dispositivo definido por una única dirección, para así

definir la apertura del actuador proporcional al valor

recibido. La mayor ventaja de utilizar este protocolo

para controlar la apertura de la válvula es que el

protocolo está estandarizado y es suficiente su

desempeño para este tipo de aplicaciones. Una ventaja

muy notable al utilizar este tipo de protocolos es la

escalabilidad que se le puede dar al proyecto por el

hecho de poder aumentar la cantidad de válvulas a

controlar con solo indicarlo en el protocolo de

comunicación. El protocolo de comunicación DM

cuenta con un límite máximo de universos de tres.

Estos universos son los 512 paquetes que se envían a

través del protocolo pero se puede enviar un conjunto

más de 512 paquetes de datos cuando el usuario así lo

decida sin ningún problema.

Uno de los argumentos principales para la creación de

este tipo de sistemas de válvulas proporcionales es que

debido a que las luces que se utilizan en las fuentes

musicales se comunican solamente a través de

protocolo de comunicación DMX, así que, es y será

necesario la incorporación de válvulas proporcionales

con protocolos de comunicación digital serial como la

que se desarrollo en esta investigación. Teniendo en

cuanta que el protocolo de comunicación DMX512 es

un protocolo normalizado y que permite interconectar

CIINDET 2010



3

varias válvulas con esta estructura aun cuando todas

sean de diferente fabricante.

Para el desarrollo del controlador principal del actuador

se ha considerado un controlador PID (Proporcional

Integral Derivativo) debido a que se ha demostrado ser

eficiente en muchas aplicaciones industriales [6].

También se involucra el desarrollo de una pequeña

etapa de potencia para poder suministrar energía

necesaria al motor que será el encargado de mover el

vástago y así modificar el flujo total que pasa por la

válvula. La selección de este controlador permite a la

válvula colocarse en la posición deseada en velocidades

mayores a la de las válvulas comerciales así como

también evita algún sobre paso en la posición final del

actuador evitando así posiciones erróneas de la válvula

en instantes específicos. La finalidad de obtener la

mayor velocidad posible y la menor histéresis posible

es que debido a que durante su utilización en la fuente

musical, ésta trabajará a frecuencias de apertura y cierre

relativamente elevados siendo necesario que los

cambios de flujo en la fuente no se desfasen con

respecto a la pista musical en turno que se esté

reproduciendo.

Haciendo un pequeño resumen del objetivo final del

articulo se llega a un sistema capaz de controlar la

apertura de una válvula comercial de uso común para

controlar la altura de un chorro de agua con el menor

retardo posible [1]; que a su vez se traduce en la

creación de una serie de efectos especiales

sincronizados con una pista musical que serán aplicados

únicamente a fuentes coreográficas musicales con un

protocolo de comunicación serial normalizado.

Metodología

En la Figura 1 se muestra un esquema básico de la

estructura del sistema. El primer bloque consiste la

representación física entre el protocolo DMX512 y el

sistema. Siendo un protocolo serial se inducen en él

muchas características que pueden o no también ser

nombradas ventajas.

Fig. 1 Esquema básico de control para servo válvula con protocolo DMX512.

Una de esas ventajas es la cantidad reducida de

terminales para enviar la información y la velocidad de

transferencia de datos máxima.

El protocolo DMX512 consiste en el envío asíncrono

continuo de 512 paquetes digitales de 8 bits con

tiempos definidos entre uno y otro, esta diferencia de

tiempo es la velocidad de transferencia del protocolo

[10]. El protocolo de comunicación DMX512 tiene una

velocidad de transferencia común que es de 250 kilobits

por segundo, lo cual entrega un tiempo de actualización

de canales entre uno y otro de 22.7 milisegundos. En la

Figura 2 se muestra una estructura DMX512 básica

donde se puede apreciar el gran valor que aporta la

utilización de este protocolo. Cabe mencionar que otra

de las grandes ventajas que aporta este medio de

transmisión de datos es la gran distancia a la que puede

trabajar, debido a que solo hará falta agregar un

repetidor para poder amplificar la señal y reenviarla

nuevamente al siguiente dispositivo. También se puede

observar que los dispositivos van conectados uno con

otro lo cual evita grandes cantidades de conductor a la

hora de realizar la implementación final.

Fig. 2 Estructura base de protocolo DMX512

DISPOSITIVOMAESTRO

DIVISORVÁLVULA

LAMPARASMULTICOLOR

VÁLVULA

LAMPARASMULTICOLOR

REPETIDOR(AMPLIFICADORDE SEÑAL)

VÁLVULA

PROTOCOLODMX512

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4

En el bloque siguiente de la Figura 2 se decodifica

cada uno de estos 512 paquetes dependiendo de una

dirección única establecida en la placa de la válvula por

medio de un interruptor múltiple ubicado en la tarjeta

electrónica de la válvula. Este interruptor define de

manera binaria la dirección de asignación de canal para

la válvula. Existe también en este bloque un micro

controlador encargado de decodificar el valor de cada

canal con ayuda del interruptor múltiple, esto es,

sabiendo que continuamente se envían 512 paquetes en

tiempos definidos y con señales de inicio y terminación

de transmisión el decodificador solo toma los valores

que se encentren en la posición de envío igual a la del

interruptor. El dato recibido contiene una palabra

digital de ocho bits que indicara la apertura de la

válvula, esto es, si la palabra contiene un valor de 255

la válvula estará totalmente abierta y por el contrario si

el valor leído por el decodificador es 0, entonces la

válvula estará completamente cerrada, no hace falta

mencionar que los demás valores estarán

proporcionalmente relacionados con el valor de la

apertura final.

El valor leído del bloque de decodificación mostrado en

la Figura 1 es enviado de manera digital a un

convertidor digital-análogo de ocho bits de la empresa

National Semiconductors [8]. El dispositivo Digital-

Análogo convierte el valor digital a analógico para

servir como referencia al bloque más importante de este

trabajo, que es el bloque del controlador PID analógico

[9]. Debido a que se requieren bajos costos de

implementación es necesario utilizar también

componentes de bajo costo como los son los analógicos

en este caso. El módulo del controlador PID consta de

tres ganancias ya ajustadas previamente por medio de la

identificación de la planta [3]. Sabiendo que la planta

del sistema será el motor encargado de posicionar la

válvula se tiene el siguiente esquema electrónico para la

obtención de la planta con una interpretación

matemática. Se prosigue a identificar el modelo

matemático del sistema mostrado en la Figura 3

considerando la entrada como un voltaje aplicado al

motor y la salida como la velocidad rotacional del eje

(rígido).

Fig. 3 Diagrama Eléctrico y Mecánico de la planta

La entrada está dada en volts y la salida en radianes por

segundo. Para obtener la función de transferencia de la

planta es necesario conocer los parámetros del sistema

que son:

• Momento de inercia del rotor (J)

• Coeficiente de amortiguamiento del sistema

mecánico (b)

• Constante de fuerza electromotriz K=Ke=Kt

• Resistencia eléctrica (R)

• Inductancia eléctrica (L)

• Entrada (V): Fuente de voltaje

• Salida (W): velocidad rotacional del eje

• Corriente Eléctrica del devanado (I)

• Posición Angular del Eje (Ө)

Las ecuaciones diferenciales que indican el

comportamiento eléctrico (1) y mecánico (2) que

obtenemos tienen la siguiente forma [6]

−� + �� +

�� + � ∴ −� + �� + �� + �

(1)

�

�� + �� = �� ∴ �� + �� = �� (2)

Obteniendo la ecuación (3) en el dominio de Laplace

(s) y tomando a e=Kw se obtiene lo siguiente

−� + �� + �� + �� = 0

�� + �� = �� (3)


Obtenemos ahora la función de transferencia con

respecto al voltaje aplicado a la entrada y la velocidad

de rotación del eje como se muestra en la ecuación (4)

�

�=

�

�� + �� + �� + ��

Debido a que solo interesa la posición angular del rotor

y no la velocidad angular se integran las dos partes de

la ecuación (4) multiplicándolas por 1/s

arroja la ecuación (5)

�

�=

�

�� + �� + �� + ��

Ahora que ya se tiene la función de transferencia de la

planta solo queda conocer los valores de

para aplicar un controlador adecuado que en

caso es un PID[4].

Por medio de métodos comunes de identificación

ayuda de Matlab [15] se puede obtener

servo válvula con la siguiente apariencia (6)

��

�� + �� + �� + �� + ��

La referencia de entrada al controlador PID

variar dentro de un rango de 0 y 5 volts. En la

se muestra el diagrama eléctrico del controlador PID

analógico.

Fig. 4 Diagrama del controlador PID para servo válvula

En la Figura 4 se muestra una retroalimentación

unitaria que corresponde a un potenciómetro lineal

conectado directamente al eje del motor a controlar,

esto, con el objetivo de retroalimentar la posición de

manera analógica al controlador y re

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Obtenemos ahora la función de transferencia con

respecto al voltaje aplicado a la entrada y la velocidad

como se muestra en la ecuación (4)

(4)

la posición angular del rotor

las dos partes de

multiplicándolas por 1/s, lo cual nos

(5)

Ahora que ya se tiene la función de transferencia de la

anta solo queda conocer los valores de J,L,R,b y K

plicar un controlador adecuado que en para este

Por medio de métodos comunes de identificación y con

se puede obtener la planta de la

apariencia (6)

�� (6)

La referencia de entrada al controlador PID solo podrá

variar dentro de un rango de 0 y 5 volts. En la Figura 4

se muestra el diagrama eléctrico del controlador PID

Diagrama del controlador PID para servo válvula

se muestra una retroalimentación

unitaria que corresponde a un potenciómetro lineal

conectado directamente al eje del motor a controlar,

oalimentar la posición de

manera analógica al controlador y restársela a la

referencia para así calcular un error que después será

amplificado y corregido para generar una posición

proporcional del motor a la referencia. Como ya se ha

mencionado anteriormente la referencia variará entre 0

y 5 volts así como también el potenciómetro.

La señal de salida, y, corresponde a la salida del

terminal móvil del potenciómetro. Si éste se alimenta

con 5 voltios en sus terminales fijas

voltaje en su terminal móvil equivalente a su posición.

Se puede decir entonces que cuando se producen 0

volts, está en la posición equivalente a 0 grados, 1.25

voltios corresponderá a 90 grados, 2.5 voltios a 180

grados, etc.

La señal de referencia, r, corresponde a la posición

deseada. Es decir, si desea que el motor alcance la

posición 180 grados se debe colocar una referencia de

2.5 voltios, si desea 270 grados colocamos referencia

de 3.75 voltios, etc. La señal de error,

la diferencia entre la señal de referencia y la señal de

salida.

La señal de control, u, corresponde al voltaje producido

por el controlador para disminuir o anular el error. Si la

señal de error es positiva indica que la referencia es

mayor que la salida real, entonces el controlador coloca

un voltaje positivo al motor para que continúe girando

hasta minimizar o anular el error. Si por el contrario la

señal de error resulta negativa indica que la salida

sobrepasó la referencia entonces el controlador debe

poner un voltaje negativo para que el motor gire en

sentido contrario hasta minimizar o anular el error.

En la Figura 5 se muestra el ensamble a groso modo

del prototipo de la válvula a diseñar.

Fig. 5 Ensamble mecánico de la válvula serv

Se presenta a continuación el modelo matemático del

controlador, necesario para calcular las ganancias

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5

así calcular un error que después será

amplificado y corregido para generar una posición

proporcional del motor a la referencia. Como ya se ha

nte la referencia variará entre 0

y 5 volts así como también el potenciómetro.

, corresponde a la salida del

terminal móvil del potenciómetro. Si éste se alimenta

5 voltios en sus terminales fijas a y b, producirá un

equivalente a su posición.

decir entonces que cuando se producen 0

volts, está en la posición equivalente a 0 grados, 1.25

voltios corresponderá a 90 grados, 2.5 voltios a 180

, corresponde a la posición

que el motor alcance la

colocar una referencia de

270 grados colocamos referencia

de 3.75 voltios, etc. La señal de error, e, corresponde a

cia entre la señal de referencia y la señal de

, corresponde al voltaje producido

por el controlador para disminuir o anular el error. Si la

señal de error es positiva indica que la referencia es

onces el controlador coloca

un voltaje positivo al motor para que continúe girando

hasta minimizar o anular el error. Si por el contrario la

señal de error resulta negativa indica que la salida

sobrepasó la referencia entonces el controlador debe

voltaje negativo para que el motor gire en

sentido contrario hasta minimizar o anular el error.

se muestra el ensamble a groso modo

.

Ensamble mecánico de la válvula servo controlada

Se presenta a continuación el modelo matemático del

controlador, necesario para calcular las ganancias


necesarias para el control correcto del giro del motor

[4]. Basándose en la definición de la función de

transferencia [2], se aplicará una señal escalón al

sistema, se graficará la salida, se encontrarán

ecuaciones de cada variable en el dominio del tiempo,

después serán llevadas al dominio de Laplace, y

último la relación salida-entrada será el modelo

matemático del mismo.

La señal de entrada (7) corresponde a una señal rampa

con pendiente m.

� = � � �

cuya transformada de Laplace es

��

��

La señal de entrada corresponde a una señal escalón de

amplitud igual a la del voltaje de c

aplicada

��

cuya transformada de Laplace es

��

�

El modelo matemático será la función de transferencia

del sistema, es decir

! " � #��

��

�$�

�

El modelo obtenido no tiene ceros y tiene un polo en el

origen. Un polo en el origen representa un sistema tipo

1.

La Figura 6 muestra el sistema en lazo cerrado sin

controlador, donde G(s) es la función de trasferencia

del conjunto motor-potenciómetro y H(s)

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necesarias para el control correcto del giro del motor

en la definición de la función de

señal escalón al

se encontrarán las

ecuaciones de cada variable en el dominio del tiempo,

al dominio de Laplace, y por

entrada será el modelo

corresponde a una señal rampa

(7)

(8)

La señal de entrada corresponde a una señal escalón de

amplitud igual a la del voltaje de corriente directa

(9)

(10)

El modelo matemático será la función de transferencia

(11)

El modelo obtenido no tiene ceros y tiene un polo en el

el origen representa un sistema tipo

muestra el sistema en lazo cerrado sin

es la función de trasferencia

H(s) es la función

de transferencia del lazo de retroalimentación, que en

este caso es unitaria.

La salida del sistema, y(t), es la señal de voltaje del

potenciómetro y, por lo tanto, la señal de referencia

debe ser una señal de voltaje de 0 a 5 voltios. Así, si se

desea un giro desde 0 a 180 grados se debe aplicar una

referencia de 2.5 voltios.

Fig. 6 Diagrama de bloques del controlador en lazo cerrado

La ecuación (17) de error [2]. Es decir, si la entrada es

un escalón de amplitud V (la transformada de Laplace

de la función escalón es V / s),

estacionario será

Por lo tanto,

Lo anterior quiere decir que el sistema en lazo cerrado

respondería ante una orden de ubicación en cualquier

posición angular, con gran exactitu

durante la implementación del controlador c

las ganancias del controlador está definida por un

arreglo simple de amplificadores operacionales

comunes. En la Figura 7 se muestra el diagrama

eléctrico del controlador PID analógico para la servo

válvula.

Fig. 7 Diagrama electrónico de controlador PID analógico

CIINDET 2010



6

de transferencia del lazo de retroalimentación, que en

es la señal de voltaje del

potenciómetro y, por lo tanto, la señal de referencia

debe ser una señal de voltaje de 0 a 5 voltios. Así, si se

desea un giro desde 0 a 180 grados se debe aplicar una

Diagrama de bloques del controlador en lazo cerrado

Es decir, si la entrada es

un escalón de amplitud V (la transformada de Laplace

el error en estado

(12)

(13)

Lo anterior quiere decir que el sistema en lazo cerrado

respondería ante una orden de ubicación en cualquier

posición angular, con gran exactitud. Por otro lado,

del controlador cada una de

las ganancias del controlador está definida por un

arreglo simple de amplificadores operacionales

se muestra el diagrama

eléctrico del controlador PID analógico para la servo

Diagrama electrónico de controlador PID analógico

CIINDET 2010



7

Los amplificadores a utilizar pueden ser de uso común

como los usados en amplificadores de instrumentación.

Cada una de las etapas es calculada con la debida planta

identificada y los valores de las ganancias que se le

darán a las resistencias dependen únicamente de la

planta y de la exactitud de los componentes

electrónicos. Para el caso específico en este artículo se

utilizó un motor de CD (Corriente Directa) de la marca

Buehler [7] de la familia 1.13.063.XXX que con sus

características se obtuvieron las siguientes ganancias y

la siguiente función de transferencia.

%�&�

'�&�=

(. *(+(

*. ,-+.,&/ + *. 00+-.&, + & (14)

Tabla 1: Ganancias para planta con motor Buehler

Obtenidas ya las ganancias de los amplificadores el

voltaje de salida final que proporcionará la posición de

la válvula será enviado a una pequeña y común etapa de

potencia bipolar. Esta etapa está compuesta de dos

transistores de mediana potencia que controlaran la

posición angular del rotor con relación al voltaje de

salida del controlador. Esta etapa de potencia es

necesaria ya que los amplificadores no pueden proveer

suficiente corriente para mover el rotor del motor por sí

mismos. El motor requiere de al menos 1A para iniciar

el movimiento por lo que es necesario recurrir a los

transistores de potencia TIP41C y TIP105A de

Fairchild Semiconductors [16]. Los transistores son de

diferentes polaridades debido a que uno controla la

parte positivo y el otro la parte negativa.

Resultados y discusión

Se muestran a continuación imágenes de las pruebas

desarrolladas con válvulas comerciales e imágenes de

los resultados de comportamiento de las válvulas servo

controladas con controlador PID y protocolo de

comunicación DMX512.

Como se puede observar en la Figura 8 la histéresis de

acoplamiento de la válvula no es muy grande pero sin

embargo puede causar inconsistencias en momentos

específicos de control y por ende una mala posición del

actuador y una errónea altura de los chorros de agua en

la fuente.

También se puede apreciar en la Figura 8 un punto de

ajuste de cero muy grande, por lo que se tiene que

reajustar el sincronizador maestro o el dispositivo

encargado de enviar la apertura a un valor defino por el

fabricante.

Fig. 8 Comportamiento de válvula Rexroth Bush ante entrada en

corriente de 4 a 20mA [12].

Cuando la sintonización del controlador es adecuada el

ajuste a cero y la histéresis del sistema se reduce

considerablemente por lo que los resultados son

óptimos tal y como se muestra en la Figura 9.

Fig. 9 Comportamiento de válvula propia con entradas digitales

DMX y controlador PID ajustado a motor de corriente directa

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8

Se puede apreciar de manera rápida la mejoría respecto

a respuesta e histéresis así como también la reducción

considerable del ajuste a cero de la válvula. Este tipo de

mejoras ayuda considerablemente al desempeño y

posicionamiento de la válvula, lo cual se traduce en una

altura correcta del chorro de agua cuando es aplicado a

fuentes musicales coreográficas. La entrada es un

voltaje que va desde 0 V hasta 5V.

Conclusiones

En este artículo se presentaron los resultados de la

comparativa de posicionamiento de actuadores

mecánicos entre válvulas comerciales con protocolo

DMX512 (REXROTH Bosh) y una válvula de diseño

propio con un controlador PID analógico. Se describe

su implementación con amplificadores comerciales de

bajo costo.

Debido a que el buen posicionamiento del actuador

depende tanto de la histéresis de la válvula como del

controlador se demostró que el diseño propio reduce

considerablemente la histéresis así como también el

ajuste a cero, lo cual hace que el desempeño de la

válvula y la eficiencia con respecto a válvulas

comerciales de aplicación para fuente musicales sea

mucho mejor. Cabe mencionar que no se alteran los

valores de posicionamiento digital DMX512 y se sigue

con la normalización del protocolo.

Se demuestra que el diseño analógico en este tipo de

proyecto es mejor debido a que sus costos son

relativamente más bajos que los diseños comerciales y

permiten diseños con menores dimensiones que pueden

fácilmente ser ubicados en las mismas carcasas de las

válvulas.

Referencias

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Currículo corto de los autores

Ernesto Carlos Capuano Zuñiga: Obtuvo el grado de

Ingeniero Electromecánico en la Universidad

Autónoma de Querétaro en el año de 2009.

Actualmente se encuentra estudiando la Maestría en

Instrumentación y Control Automático en la

CIINDET 2010



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Universidad Autónoma de Querétaro. Su área de interés

es desarrollo de sistemas digitales embebidos.

Manuel García Quijada: Obtuvo el grado de Ingeniero

Electromecánico en la Universidad Autónoma de

Querétaro en el año de 2004. El grado de Maestro en

ciencias en la Universidad Autónoma de Querétaro en

el año de 2006. Actualmente es profesor investigador

en la Facultad de Ingeniería donde se desempeña como

jefe de laboratorio de manufactura avanzada.

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