TESIS · Esta obra busca resolver el problema del control automático del flujo de agua a través...

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"

"Diseño y control de una servoválvula"

TESIS

Que para obtener el título de:

Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica

PRESENTA:

Delgado Báez Jesús Adolfo Méndez Martínez Oscar

ASESORES:

Dr. Carlos Vázquez Aguilera Dr. Alberto Luviano Juárez

México, Distrito Federal, noviembre de 2012

Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

RESUMEN

El presente es un trabajo cuya finalidad versa en el diseño y control de una

servoválvula para la distribución de agua. El sistema está conformado por un

tanque de almacenamiento con presión variable, una válvula convencional de

globo acoplada mecánicamente a un motor eléctrico de corriente continua, así

como una válvula manual de compuerta empleada como perturbador para

incrementar o decrementar la presión ejercida en el fondo del recipiente.

El control se lleva a cabo en base a las mediciones de los sensores de flujo y

posición integrados en el sistema general de proceso, los cuales constantemente

mandan información a un microcontrolador encargado de deducir la cantidad de

grados que el motor debe de girar para cerrar o abrir la válvula de control.

Se hace uso de la acción proporcional de un controlador digital diseñado para que

el motor de conmutación adquiera una respuesta rápida de la posición deseada, la

cual se logra al añadir un sistema de retroalimentación basado en un encoder

incremental de dos canales, proporcionando exactitud y precisión al sistema de

control.


AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por darme la vida, por iluminarme y llenarme de fuerzas y

bendiciones para cumplir todos mis propósitos.

A mi familia y a todas aquellas personas por toda esa confianza que han

depositado en mí, así como su amor y cariño y sobre todo, su apoyo incondicional.

Mis logros y mis triunfos son de ustedes.

Por último, quiero agradecer a esas personas que compartieron sus conocimientos

a lo largo de esta carrera, mis maestros; en especial a mis asesores de tesis, que

con su ayuda y experiencia lograron motivarme para culminar esta obra.

Jesús Adolfo Delgado Báez

Esta tesis está dedicada a mi madre a quien agradezco de todo corazón por su

amor, cariño y comprensión. De igual manera a mi familia le doy las gracias por su

apoyo y la ayuda incondicional. En todo momento los llevo conmigo.

A mis amigos por su confianza y lealtad.

A mis profesores por compartir conmigo sus conocimientos y gusto por la

ingeniería.

A todas las personas que participaron e hicieron posible este proyecto, muchas

gracias por su disposición y enseñanza.

Oscar Méndez Martínez


Índice General

Pág. Índice de tablas i

Índice de ecuaciones ii

Índice de figuras iii

Planteamiento del problema 1

Objetivos 2

Justificación 3

Introducción 4

Estado del Arte 6

1. Capítulo 1. Marco Teórico

8

1.1. Mecánica de Fluidos 8

1.2. Densidad 10

1.3. Densidad relativa 12

1.4. Presión 12

1.4.1. Clases de Presión 13

1.4.2. Relación entre presión y elevación 14

1.5. Nivel 15

1.6. Válvulas 16

1.6.1. Válvula de Globo 16

1.7. Modelado del Sistema 18

1.8. Simulink 20

1.9. Data acquisition toolbox 21

2. Capítulo II. Controladores, sensores y algoritmos de control. 23

2.1. Microcontrolador. 24

2.2. Tarjeta de Adquisición de Datos NI USB-6008 25

2.3. Decodificador Óptico (encoder) 25


2.4. Sensor de Presión MPX10GP (0 a 1.45 psi / 0 a 10 KPa) 27

2.5. Especificaciones Técnicas del Sensor de presión y del Tanque de proceso.

27

2.6. Sensor de Flujo Gems tipo Turbina 30

2.7. Elementos Básicos de un Sistema en Lazo Cerrado 31

2.8. Control de Lazo Cerrado 33

2.9. Control Automático 33

2.10. Controlador Automático 33

2.11. Control Digital 34

2.12. Controlador Digital PID 34

2.13. Estrategia de Control en Cascada 37

3. Capítulo III. Desarrollo 39

3.1. Etapa de Adquisición de Datos 41

3.1.1. Adquisición de datos de la variable presión 41

3.1.2. Adquisición de datos de la variable flujo 43

3.1.2.1. Multiplicador de frecuencia 46

3.1.2.2. Circuito convertidor de frecuencia a voltaje 48

3.1.2.3. Circuito amplificador de instrumentación 49

3.1.2.4. Calibración del circuito propuesto 50

3.1.3. Lectura de pulsos del decodificador óptico. 51

3.2. Etapa de Control 51

3.2.1. Circuito detector de giro 51

3.2.2. Circuito PWM 53

3.2.3. Control en cascada 55

3.2.4. Diagrama de flujo 57

3.3. Etapa de Potencia 58

3.3.1. Puente H 58

3.4. Resultados 60

4. Capítulo IV. Conclusión 62


4.1. Conclusión 62

Bibliografía 64

Anexos 66

Anexo A. Tabla de conversiones de unidades de presión. 67

Anexo B. Microcontrolador MSP430G2452. 68

Anexo C. Sensor de Presión MPX2010GP. 70

Anexo D. Código de Programa adquisición de datos de la variable flujo. 71

Anexo E. Código de Programa del controlador digital proporcional. 76

Anexo F. Imágenes del sistema de proceso 78


INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página i

Índice de Tablas

Pág.

Tabla 1.1. Propiedades Físicas del Agua 11

Tabla 3.1. Altura vs. Presión 42

Tabla 3.2. Altura vs. Frecuencia 44

Tabla 3.3. Frecuencia vs. Flujo 45

Tabla 3.4. Tabla de verdad Flip-flop tipo D 52


INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página ii

Índice de Ecuaciones

Pág.

Capítulo I

Ecuación 1.1 Definición de flujo 10

Ecuación 1.2. Ley de Continuidad 10

Ecuación 1.3. Definición de densidad 11

Ecuación 1.4. Definición de densidad relativa 12

Ecuación 1.5. Densidad relativa de un líquido 12

Ecuación 1.6.Definición general de presión 13

Ecuación 1.7. Definición presión absoluta 14

Ecuación 1.8. Relación entre presión y elevación 15

Ecuación 1.9. Ecuación del caudal del estado estable 19

Ecuación 1.10. Función de transferencia del sistema a controlar 20

Capítulo II

Ecuación 2.1. Fórmula para el cálculo del volumen del tanque

de proceso.

28

Ecuación 2.2. Ecuación de la recta. 28

Ecuación 2.3. Relación lineal, altura – volts, detectada por el

sensor en el llenado del tanque.

29


INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página iii

Índice de Figuras

Pág.

Capítulo I

Figura 1.1. Relación entre los diferentes tipo de presión. 14

Figura 1.2. Diagrama interno de una válvula de globo. 17

Figura 1.3. Tipos de flujo de una válvula de globo. 17

Figura 1.4. Operación de una válvula globo. 18

Capítulo II

Figura 2.1. Diagrama de bloques de los periféricos internos del

microcontrolador MSP430G2452

24

Figura 2.2. Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6008 25

Figura 2.3. Sensor de Presión 27

Figura 2.4. Gráfica altura – voltaje sensor 29

Figura 2.5. Sensor de flujo 30

Figura 2.6. Principio de funcionamiento del sensor de flujo tipo turbina 31

Figura 2.7. Subsistemas en un sistema de control en lazo cerrado 32

Figura 2.8. Diagrama a bloques de la definición de un controlador

Automático

33

Figura 2.9. Sistema de control digital común 34

Figura 2.10. Controlador digital PID 36

Figura 2.11. Diagrama a bloques del sistema de control en cascada

propuesto.

38

Capitulo III

Figura 3.1. Diagrama general del sistema de control 40

Figura 3.2. Grafica Altura vs. Presión 43

Figura 3.3. Frecuencia vs. Flujo 45

Figura 3.4. Multiplicador de frecuencia 46


INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página iv

Figura 3.5. Diagrama convertidor frecuencia a voltaje 47

Figura 3.6. Circuito típico convertidor de frecuencia a voltaje 48

Figura 3.7. Circuito amplificador de instrumentación 50

Figura 3.8. Flip-Flop tipo D. 52

Figura 3.9. Circuito detector de dirección de giro 53

Figura 3.10. Señal PWM 54

Figura 3.11. Diagrama de bloques general del sistema de control en

cascada.

56

Figura 3.12. Diagrama de flujo del código del algoritmo de control. 58

Figura 3.13. Circuito integrado L293 59

Figura 3.14. Configuración del L293. 59


INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Página 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad la distribución de agua se ha vuelto un tópico selecto en los

procesos industriales. Conforme el paso de los años se ha buscado diversas

formas de optimizar el control del agua, siendo las válvulas un claro ejemplo de

ello.

Existe un gran número de estos instrumentos finales de control cuya regulación

suele ser manual debido en gran parte al alto costo de su automatización. Es por

esto que se plantean las siguientes cuestiones:

¿La automatización de una válvula de globo para la regulación de agua mediante

una estrategia de control en cascada puede ofrecer un comportamiento aceptable

en comparación a cualquier servoválvula existente en el mercado sin necesidad de

una fuerte inversión económica?

¿El uso de un servomecanismo para el control de una válvula convencional puede

cumplir con las mismas prestaciones de una servoválvula comercial de regulación

de flujo?



OBJETIVOS

La finalidad de este trabajo es la realización de un sistema de control capaz de

regular el flujo de agua a través de una válvula convencional dotada mecánica y

electrónicamente. Para tal motivo se debe cumplir con los siguientes propósitos:

Diseñar y construir una servoválvula mediante una válvula de globo

acoplada mecánicamente a un motor de corriente continúa.

Mantener el flujo de agua constante a través de la válvula de control.

Diseñar un control proporcional digital capaz de regular la posición del

actuador de la válvula con la máxima rapidez y el mínimo error posible.

Diseñar y construir un sistema de control confiable, preciso y de bajo costo.

Demostrar mediante un análisis sistematizado las prestaciones y

características finales del proyecto.



JUSTIFICACIÓN

Esta obra busca resolver el problema del control automático del flujo de agua a

través de una tubería mediante la elaboración y el control de una servoválvula

construida en base a una válvula de globo, con el fin de demostrar una variante en

la automatización de procesos sin necesidad de realizar una gran inversión.

Las válvulas de globo presentan aberturas de entrada y de salida dispuestas a

manera de satisfacer los requerimientos del flujo a controlar. Por otro lado han

demostrado un comportamiento aceptable con respecto a la regulación de flujo por

lo que ha sido elegida para el desarrollo de este trabajo.

Se diseñará un controlador proporcional digital, cuya finalidad será la de regular el

flujo de agua deseado a través de la válvula de control, además de obtener una

respuesta más rápida del sistema.

La adquisición de señales provenientes de los sensores se realizará por medio del

convertidor analógico-digital presente en el microcontrolador MSP430G2452

debido a su bajo consumo de potencia y por ser inmensamente más accesible

económicamente en comparación con cualquier PLC industrial.



INTRODUCCIÓN

Durante los últimos años la ciencia y la tecnología han sido capaces de

proporcionar diseños y algoritmos de control fiables, precisos y exactos, los cuales

son demandados por las industrias que requieren de sistemas de control

automático en sus procesos. Sin embargo, hacer que un sistema automático

posea las características mencionadas, requiere una gran inversión de tiempo y

dinero.

Es por ello que gran parte de la investigación mundial está centrada en la creación

de nuevas tecnologías capaces de proveer las mismas prestaciones a un menor

precio.

Las variables físicas como la presión y el caudal juegan un papel sumamente

importante en la mayoría de las industrias. La medición y el control de estas

variables son indispensables para que muchos procesos industriales lleguen a

buen término.

El control de la presión y el caudal es imprescindible en todas las industrias que

manejan fluidos, tales como la química, la minera, la petrolera, la alimenticia,

refinerías, petroquímicas, de generación de energía, de celulosa y papel, entre

otras.

Actualmente existen diversos equipos capaces de regular, medir y controlar flujos

y presiones de líquidos y gases como lo son las servoválvulas, las cuales son

elementos finales de control capaces de convertir señales eléctricas en señales de

caudal o presión.

El presente introduce una propuesta de un sistema de control que regula el flujo

de agua que pasa a través de una válvula de globo accionada mediante un motor

eléctrico de corriente directa. El control es llevado a cabo mediante un

microcontrolador que recibe continuamente señales del encoder y del sensor de

flujo, mismos que están colocados cuidadosamente en la planta. El diseño



presenta un sistema de posicionamiento que se encargara de abrir o cerrar la

válvula de control de una manera proporcional.



ESTADO DEL ARTE

Desde la antigüedad el ser humano ha tenido la necesidad de controlar su medio

ambiente mediante la regulación de las variables de los fenómenos físicos. La

presión y el caudal en los sistemas hidráulicos son variables físicas de gran

relevancia dentro de la vida cotidiana e industrial, es por ello que desde tiempos

remotos el hombre ha identificado el comportamiento y ha diseñado mecanismos

para el control de las mismas.

Las válvulas de control son unos de los instrumentos más esenciales en la

industria y se encuentran en la mayoría de las instalaciones y/o sistemas, es por

ello que se reconoce la importancia de estos dispositivos capaces de regular

fluidos.

El desarrollo de las válvulas para la regulación de flujos comenzó desde los

Egipcios, Griegos y Romanos, pero el máximo desarrollo se empezó a la par con

la revolución industrial con el primer motor de vapor donde debían regular y

contener muy altas presiones; este fue el hecho que marco la incursión de las

válvulas de control en la industria como un dispositivo fundamental en los

procesos.

En la actualidad existen numerosos diseños de válvulas de control y su elección

está determinada por el proceso y las características de las variables en cuestión,

es por ello que en esta obra trataremos únicamente de las servoválvulas como

elemento final de control y su regulación automática como el tema central.

En una servoválvula el desplazamiento de la corredera se realiza por medio de un

motor eléctrico (motor par) que regula con precisión el posicionamiento de la

misma, controlando con ello el caudal que pasa a través de la superficie liberada

por la corredera en su desplazamiento [1].

La demanda de estos instrumentos por parte de las industrias ha dado lugar a que

en los catálogos de algunos fabricantes se exhiban varios modelos de



servoválvulas, sin embargo el costo de estos productos es muy elevado

alcanzando precios que se cotizan en miles de dólares por pieza.

En los últimos años algunos estudiantes de diferentes instituciones educativas han

propuesto algunos diseños importantes para el control del caudal o de la presión

de ciertos líquidos entre los cuales se encuentra el proyecto Development of the

Small Flow Rate Water Hydraulic Servo Valve [2] realizado por Toshiya

Watanabe, Tomokazu Inayama, y Takeo Oomichi del departamento de ingeniería

mecánica de la universidad de Meijo, Japón en el cual proponen el desarrollo de

una servoválvula para el control de un manipulador hidráulico; por otra parte los

estudiantes Ronald Paolo Borja Aldaz y Byron Renato Paredes Coque de la

Escuela Politécnica Nacional de Quito, Perú desarrollaron el diseño y la

construcción de un módulo didáctico para el control de nivel de líquidos [3]

por medio de una servoválvula construida a partir de una válvula de globo

acoplada a un motor de corriente continua. A diferencia de [3] nuestro proyecto no

está enfocado en el control de nivel de líquidos. Nuestro proyecto busca controlar

el flujo del agua proveniente de un tanque de medidas específicas a través de una

tubería independientemente de la presión existente en el tanque contenedor.



CAPÍTULO I Marco Teórico

A lo largo de este capítulo se aborda la teoría necesaria para el estudio y el

entendimiento del problema planteado y sus posibles soluciones. Es por eso que

durante este apartado se plantea el marco teórico necesario para el buen

entendimiento del proceso. Se aborda la teoría de la mecánica de fluidos como

tema central para el análisis de las variables que forman parte directa o

indirectamente del sistema de control, así como las consideraciones físicas

necesarias para la delimitación del mismo. Por ultimo, se realiza un estudio

detallado de la válvula de control seleccionada en este proyecto.

1.1. Mecánica de fluidos

El comportamiento de los fluidos afecta nuestra vida cotidiana de muchas

maneras, vivimos inmersos en un sin fin de líquidos y gases que conforman

nuestro cuerpo y el espacio donde vivimos.

La mecánica de fluidos es la rama de la física que se encarga del estudio del



comportamiento de los fluidos, ya sea en reposo o en movimiento. Los fluidos

pueden ser líquidos o gases, la diferencia entre ambos solo está relacionada con

la distancia intermolecular que existe entre sus partículas, así como otras

propiedades que definen el estado de agregación y las características propias de

cada fluido.

El estudio de los principios de la mecánica de fluidos constituye un verdadero

requisito al momento de enfrentarse con la necesidad de revolver algún problema

de esta índole. Estos principios deben entenderse bien, con el fin de poder elegir

adecuadamente los elementos que conformarán la solución, así como la

verificación del desempeño del sistema en cuestión.

Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el

tiempo ante la aplicación de una tensión tangencial sin importar la magnitud de

ésta.

Los fluidos se pueden clasificar de acuerdo a las diferentes características que

presentan, en:

Newtonianos

No newtonianos

Para fines de este trabajo se definirá únicamente a los fluidos newtonianos. Un

fluido newtoniano es un flujo cuya viscosidad puede considerarse constante en el

tiempo. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua; misma que se regulará

por medio del sistema de control propuesto.

En el sistema se utilizará como conducto una tubería que cumpla la función de

transportar el agua. Uno de los aspectos más importantes de la dinámica de

fluidos es el comportamiento de su flujo, el cual puede definirse como la cantidad

de fluido o volumen que pasa por un área dada en una unidad de tiempo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido_newtoniano

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido_no-newtoniano



Ecuación 1.1. Definición de flujo

dónde:

= flujo o caudal (m3/s)

= área (m2)

= velocidad (m/s)

Para poder entender su comportamiento se analiza la conservación de la masa de

fluido a través de dos secciones (sean éstas A1 y A2) de un conducto (tubería) o

tubo de corriente la cual establece que: la masa que entra es igual a la masa que

sale. A partir de este enunciado se deriva la ecuación de continuidad, la cual se

expresa de la siguiente manera:

Ecuación 1.2. Ley de Continuidad

Esto se cumple cuando entre dos secciones del conducto no se acumula masa, es

decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo tanto su densidad sea

constante. Esta condición la satisface particularmente el agua.

El buen desempeño de los sistemas depende generalmente de la elección

adecuada del tamaño y el tipo de bombas y tubos, el diseño de los tanques de

almacenamiento, la selección de las válvulas de control de flujo, entre otros.

Para aprender a analizar los sistemas que trabajan con fluidos es necesario

comprender los siguientes conceptos, los cuales también tienen como objetivo el

modelado y la solución del problema planteado.

1.2. Densidad

Se entiende por densidad a la cantidad de masa por unidad de volumen de una

sustancia.



Ecuación 1.3. Definición de densidad

En donde es el volumen de la sustancia cuya masa es . Las unidades de

densidad son kilogramo por metro cubico en el Sistema Internacional (SI) y slugs

por pie cubico en el Sistema Británico de Unidades [4].

En los flujos incompresibles, como los líquidos, la densidad es prácticamente

constante y una alteración en ella, solo dependerá del factor temperatura; por otro

lado, los materiales homogéneos, poseen la misma densidad en todas sus partes.

Las variaciones de la densidad y otras propiedades del agua con relación a su

temperatura se indican en la tabla 1.1

Propiedades físicas del agua en unidades.

Temperatura

ºC

Densidad ,

Viscosidad

,(

)

Viscosidad

cinemática ,

Módulo de

elasticidad

volumétrica ,

Tensión

superficial ,

x

Presión

de vapor

Pa

0

5

10

15

20

30

40

50

60

70

80

90

100

999.9

1000.0

999.7

999.1

998.2

995.7

992.2

988.1

983.2

977.8

971.8

965.3

958.4

1.792

1.519

1.308

1.140

1.005

0.801

0.656

0.549

0.469

0.406

0.357

0.317

0.284

1.792

1.519

1.308

1.141

1.007

0.804

0.661

0.556

0.477

0.415

0.367

0.328

0.296

204

206

211

214

220

223

227

230

228

225

221

216

207

7.62

7.54

7.48

7.41

7.36

7.18

7.01

6.82

6.68

6.50

6.30

6.12

5.94

588

882

1176

1666

2447

4297

7400

12220

19600

30700

46400

68200

97500

Tabla 1.1. Propiedades Físicas del Agua



1.3. Densidad relativa

La densidad relativa o peso específico, está estrechamente asociada con la

densidad, y representa el peso del fluido por unidad de volumen.

Ecuación 1.4. Definición de densidad relativa

Donde es el peso del fluido y V el volumen que lo contiene.

Teniendo en cuenta que como la presión tiene un efecto insignificante sobre la

densidad de los líquidos, la forma de cuantificar y vincular la densidad y el peso

específico se logra con la siguiente ecuación, la cual relaciona la densidad de un

líquido a cierta temperatura, con respecto al agua a una temperatura normalizada

(15°C).

Ecuación 1.5. Densidad relativa de un líquido

Otra forma de relacionar la densidad y el peso específico de un fluido resulta de

aplicar la segunda ley de Newton a la unidad de volumen de fluido, por lo que:

Donde designa la aceleración local de la gravedad y la densidad del fluido.

1.4. Presión

La presión es una de las variables más importantes en los procesos productivos,

pues está relacionada íntimamente con numerosos fenómenos físicos y

aplicaciones donde continuamente se mide y controla.



La presión es una magnitud física definida como la fuerza que ejerce un cuerpo

sobre una unidad de superficie (ecuación 1.6) y puede expresarse en unidades

tales como pascal (Pa), atmósferas, bar, kilogramos por centímetro cuadrado y psi

(libras por pulgada cuadrada), según el campo de aplicación y el sistema de

medida que se esté usando [5]. En el anexo A figuran las unidades más utilizadas

y sus equivalencias.

Ecuación 1.6.Definición general de presión

1.4.1. Clases de Presión

Los cálculos que implican la presión de un fluido, se deben de hacer en relación a

una presión de referencia, comúnmente, la presión de referencia es la atmósfera y

en otros casos, el vacío. Los siguientes conceptos son formas de medir la presión.

Presión absoluta: se mide con relación al vacío perfecto o cero absoluto de

presión. La medición siempre es positiva y no varía conforme la altitud.

Presión atmosférica: es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida

mediante un barómetro. Esta presión cambia con la altitud del lugar y las

condiciones climatológicas. A nivel del mar, la presión atmosférica se aproxima a

los 760 mmHg absolutos y decrece a razón de 1mmHg por cada 10 metros de

elevación sobre el nivel del mar.

Presión manométrica: es el exceso de presión más allá de la presión

atmosférica.

La ecuación 1.7 relaciona estas formas de medición de presión.



Ecuación 1.7. Definición presión absoluta

Presión relativa: es la diferencia que existe entre la presión absoluta y la

atmosférica del lugar donde se realiza la medición.

Presión diferencial: es la resta algebraica entre dos presiones.

Vacío: es la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta, en otras

palabras, es toda presión menor a la atmosférica.

La figura 1.1 muestra en forma gráfica los conceptos antes mencionados.

Figura 1.1. Relación entre los diferentes tipo de presión

1.4.2. Relación entre presión y elevación.

Como se había mencionado anteriormente, la presión varía con un cambio de

profundidad o de elevación, entendiéndose por ésta última, como la distancia



vertical a partir de algún nivel de referencia hasta el punto de interés.

La ecuación que relaciona el cambio de presión conforme a la elevación, es la

siguiente:

Si , entonces

Ecuación 1.8. Relación entre presión y elevación

En la que, es la constante de gravedad local, el cambio de elevación, el peso

especifico del liquido y su densidad.

Cabe mencionar que la ecuación anterior no se aplica a los gases, debido a que el

peso específico de un gas cambia con la presión, por lo que queda restringida

únicamente para líquidos homogéneos en reposo [6].

1.5. Nivel

La medición de nivel es una de las más importantes dentro de la industria, tanto

desde el punto de vista del correcto funcionamiento del proceso como de la

consideración del balance adecuado de materiales primas y productos finales [5].

Existen varios métodos para medir el nivel de líquidos, entre los cuales están:

Directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia.

Conforme a la presión hidrostática.

Por medio del desplazamiento producido en un flotador por el propio liquido

contenido en el tanque del proceso.

Aprovechando las características eléctricas del líquido.



1.6. Válvulas

A continuación abordaremos el elemento final de control de esta propuesta: la

válvula. Se define a una válvula como cualquier dispositivo por medio del cual el

flujo de líquido se puede iniciar, cortar, o regular por una parte móvil que abra u

obstruya el paso. Las válvulas se utilizan para controlar el flujo, la presión, y la

dirección del flujo.

Las válvulas deben ser precisas en el control del fluido y presión, así como la

secuencia de operación.

Las válvulas se pueden controlar manual, eléctrica, neumática, mecánica e

hidráulicamente, o por combinaciones de dos o más de estos métodos. Los

factores que determinan el método de control incluyen el propósito de la válvula, el

diseño y el propósito del sistema, la localización de la válvula dentro del sistema, y

la disponibilidad de la fuente de energía.

1.6.1. Válvula de Globo

Como ya se mencionó anteriormente la parte de automatización del sistema la

llevará a cabo una válvula de globo. Las válvulas globo son probablemente las

válvulas más comunes. La válvula globo debe su nombre a la forma globular del

cuerpo de la válvula. Otros tipos de válvulas pueden también tener cuerpos de

forma globular. Pero es la estructura interna de la válvula que identifica el tipo. Son

unidireccionales y comúnmente son utilizadas como válvulas de regulación.

Su diagrama interno es el siguiente:



Figura 1.2. Diagrama interno de una válvula de globo.

Las aberturas de entrada y de salida de las válvulas globo están dispuestas de

manera de satisfacer los requerimientos del flujo. La figura adjunta muestra

válvulas rectas, en ángulo y válvulas de flujo cruzado.

Figura 1.3. Tipos de flujo de una válvula de globo.

Para fines prácticos se utilizará una válvula de globo de flujo recto.

Las piezas móviles de una válvula globo consisten en el disco, el vástago de

válvula, y la manivela de cierre. El vástago conecta la manivela al disco.



La pieza de la válvula globo que controla el flujo es el disco, que está sujeto al

vástago de la válvula (los discos están disponibles en varios diseños). La válvula

es cerrada dando vuelta al vástago de válvula hacia adentro hasta que el disco se

apoye en el asiento de la válvula. Esto evita que el líquido atraviese la válvula (ver

figura 1.4 A). El borde del disco y su asiento están delicadamente trabajados a

máquina de manera que cuando la válvula es cerrada encastran en forma muy

precisa. Cuando la válvula está abierta (ver figura 1.4 B), el líquido atraviesa el

espacio entre el borde del disco y el asiento. Dado que el fluido se desplaza

igualmente en todos los lados del centro de apoyo cuando la válvula está abierta,

no existe ninguna presión sin balancear sobre el disco que cause un desgaste

desigual. El régimen al cual el líquido atraviesa la válvula es regulado por la

posición del disco en relación con el asiento.

Figura 1.4. Operación de una válvula globo.

1.7. Modelado del Sistema

En base al flujo que circula a través de la tubería y a los pequeños cambios en la

variable principal del sistema, en este caso, el caudal, se puede definir dentro del



régimen de los flujos laminares [7]. En consecuencia, la relación entre el caudal en

estado estable y la altura en estado estable se obtiene mediante

Ecuación 1.9. Ecuación del caudal en estado estable

donde Q = caudal del líquido en estado estable,

K = coeficiente,

H = altura en estado estable, m

Para el flujo laminar, la resistencia se obtiene como

La resistencia del flujo laminar es constante y análoga a la resistencia eléctrica.

Las variables se definen del modo siguiente:

caudal en estado estable (antes de que haya ocurrido un cambio),

.

desviación pequeña de la velocidad de entrada de su valor en estado estable,

.

desviación pequeña de la velocidad de salida de su valor en estado estable,

.

altura en estado estable (antes de que haya ocurrido un cambio), m.

desviación pequeña de la altura a partir de su valor en estado estable, m.

A partir de la premisa que indica que un sistema se considera lineal si el flujo es

laminar, la ecuación diferencial de este sistema se obtiene del modo siguiente.



Como el caudal de entrada menos el caudal de salida durante el pequeño intervalo

de tiempo es igual a la cantidad adicional almacenada en el tanque, se observa

que

( )

A partir de la definición de resistencia, la relación entre y se obtiene mediante

La ecuación diferencial de este sistema para un valor constante de R se convierte

en

Obsérvese que RC es la constante de tiempo del sistema. Si se toma la

transformada de Laplace en ambos miembros de la ecuación anterior, y se supone

la condición inicial es cero, se obtiene

( ) ( ) ( )

Donde ( ) [ ] y ( ) [ ]

Si se considera la entrada y la salida, la función de transferencia del sistema

es

( )

( )

No obstante, si se toma como la salida, y la entrada es la misma, la función de

transferencia es

( )

( )

Ecuación 1.10. Función de transferencia del sistema a controlar



1.8. Simulink

En esta tesis se va a utilizar el software Matlab Simulink ®, un entorno

para simulación multidominio y diseño basado en modelos para sistemas

dinámicos y embebidos. Proporciona un entorno gráfico interactivo y un

conjunto de bibliotecas de bloques que le permiten diseñar, simular, implementar y

probar una diversidad de sistemas, incluidas las

comunicaciones, control, procesamiento de señales, procesamiento de vídeo y

procesamiento de imágenes.

Simulink es una herramienta de simulación de modelos o sistemas, con cierto

grado de abstracción de los fenómenos físicos involucrados en los mismos. Se

hace hincapié en el análisis de sucesos, a través de la concepción de sistemas

(cajas negras que realizan alguna operación) [8].

1.9. Data acquisition toolbox

Data Acquisition Toolbox™ provee funciones para conectar MATLAB® con tarjetas

de adquisición de datos. El toolbox soporta una gran cantidad de DAQs,

incluyendo dispositivos USB, PCI, PCI-Express®, PXI y PXI-Express, de National

Instruments, Measurement Computing, Advantech, Data Translation, y otros

proveedores.

Con este toolbox se puede configurar el hardware de adquisición y leer datos

en MATLAB y Simulink ® para su análisis inmediato. También puede enviar datos

a través de los canales de salida analógica y digital proporcionados por la

tarjeta de adquisición de datos. El toolbox incluye funciones para controlar

entradas y salidas analógicas, contadores/temporizadores, y subsistemas de

entradas y salidas digitales. También puede tener acceso a características

específicas y sincronizar los datos obtenidos desde múltiples dispositivos.



Es posible analizar los datos a medida que se adquieren o guardarlos para su

posterior procesamiento.

Bloques de Simulink incluidos en el toolbox permiten flujo de datos en vivo

directamente a los modelos de Simulink, lo que permite verificar y validar los

modelos a través de mediciones de datos en tiempo real como parte del proceso

de verificación del diseño [9].



CAPÍTULO II Controladores, sensores y algoritmos

de control.

En este capítulo se describen minuciosamente los distintos dispositivos utilizados

en la construcción del sistema físico considerado para la experimentación con la

servoválvula. Se definen las diversas causas por las cuales se eligieron cada uno

de los dispositivos, así como sus principales características. Además se hacen

especificaciones técnicas en relación a la interacción que tienen los diferentes

sensores con el sistema de control por medio de cálculos y de ser necesario

gráficas.

Por otro lado, se propone el algoritmo de control a utilizar justificando el porqué de

la elección partiendo de conceptos básicos, definiciones y características. Se

presenta cada una de las fórmulas que componen al controlador seleccionado y se

describe su funcionalidad dentro de un sistema de control. Además, se incluyen

los respectivos diagramas de bloques con el fin de ilustrar el funcionamiento del

lazo de control. Finalizando con la descripción de la estrategia de control

seleccionada para la resolución del problema planteado en este documento.



2.1. Microcontrolador.

En la parte del algoritmo de monitoreo y control de las señales de presión y

caudal, respectivamente, se propuso la utilización de un microcontrolador

económico, que cumpliera con las tareas propuestas.

La familia de microcontroladores MSP430 de ultra-baja potencia de Texas

Instruments consiste de varios dispositivos con diferentes conjuntos de periféricos

específicos para diferentes aplicaciones. La serie MSP430G2x52 son

microcontroladores de muy baja potencia de señal mixta que poseen en su interior

un temporizador de 16 bits, un convertidor analógico digital de 10 bits y hasta 16

líneas digitales de entrada y salida, las cuales permitirán la comunicación con los

dispositivos exteriores [10].

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques general del microcontrolador

MSP430G2x52.

Figura 2.1. Diagrama de bloques de los periféricos internos del microcontrolador

MSP430G2452.



2.2. Tarjeta de Adquisición de Datos NI USB-6008

Para la comprobación de resultados se utilizara la DAQ NI USB-6008, la cual

posee las siguientes características:

Figura 2.2. Tarjeta de Adquisición de datos NI USB-6008.

8 entradas analógicas (12 bits, 10 kS/s).

2 salidas analógicas (12 bits a 150 S/s).

12 E/S digitales. Salida en colector abierto.

Contador de 32 bits.

La versión OEM está disponible.

Software controlador NI-DAQmx[11].

Es importante mencionar que la adquisición de datos se realizo a través de

Simulink, un entorno de simulación del software Matlab.

2.3. Decodificador Óptico (encoder).

El decodificador óptico es un sensor que permite detectar el movimiento de

rotación de un eje, para obtener la señal de retroalimentación lo más precisa

posible, se propone emplear un decodificador óptico de 64 pulsos por revolución

montado al eje de un motorreductor, que gracias a un sistema de engranes,

incrementa su resolución a 8384 pulsos por revolución.

Existen 2 diferentes tipos de decodificador óptico, de acuerdo a sus características

se clasifican en:

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/201986

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/201986



Decodificador Óptico Incremental, los cuales dan salidas serie de acuerdo

con el ángulo del eje de rotación, solo mientras este gira. De acuerdo a su

salida estos se clasifican a su vez en:

Unidireccionales. Tienen solo un canal de salida A y no

pueden determinar el sentido de giro.

Bidireccionales. Se puede obtener el sentido de giro a través

de una diferencia de fase entre los canales A y B.

Con salida de paso por cero. A parte de las salidas A y B,

también poseen una salida Z la cual otorga un pulso por cada

vuelta.

Decodificador Óptico Absoluto, da una salida en paralelo, codificada ya sea

en BCD o en código Gray. Tienen la desventaja que el número de pulsos

por ciclo es muy limitado respecto a los incrementales.

En la mayoría de los casos los decodificadores ópticos son elegidos de acuerdo al

número de canales y a su resolución, sin embargo existen otras características

importantes que se deben de tomar en cuenta para hacer cualquier diseño, como

lo son:

La respuesta máxima en frecuencia.

El par de arranque.

La velocidad máxima de rotación.

Momento de inercia.

Las señales de salida del decodificador óptico incremental son señales en

cuadratura, los cuales proporcionan la posición y el sentido de giro del motor.

También es posible obtener la velocidad angular con la que está girando el motor,

sin embargo, esta variable no es muy útil para nuestros fines, por lo cual no será

empleada.



2.4. Sensor de Presión MPX2010GP (0 a 1.45 psi / 0 a 10 KPa)

Figura 2.3. Sensor de Presión

El sensor de presión de silicón piezoresistivo MPX2010GP proporciona un voltaje

de salida lineal y sumamente preciso, el cual es directamente proporcional a la

presión aplicada [12].

Una gran ventaja que presenta este sensor es su bajo costo y su compensación

en temperatura.

Características principales:

Capacidad para medir presión manométrica.

Bajo costo.

Cubierta resistente y de alta durabilidad.

2.5. Especificaciones Técnicas del Sensor de presión y del Tanque de

Proceso.

Dentro del sistema de control el sensor de presión tiene la función de transformar

la variable a medir a una forma de señal eléctrica que pueda ser posteriormente

fácilmente manejada por el microcontrolador.

El tanque del proceso tiene un volumen de 160 litros el cual es obtenido a partir de

las dimensiones del mismo como se muestra en la ecuación 2.1.



Las dimensiones internas del tanque del proceso, hasta el drenado son las

siguientes:

Largo = 0.4 m Ancho = 0.4 m

Alto = 1 m

Ecuación 2.1. Fórmula para el cálculo del volumen del tanque de proceso.

Con el resultado anterior se define el volumen en litros del tanque de proceso.

Para este propósito se tiene un sensor de presión, él cual proporciona una

diferencia entre el valor máximo y mínimo del rango (span) de 25mV con una

sensibilidad de 2.5 mV / KPa.

La equivalencia física de los 25 mVcd de salida, correspondientes al llenado total

del tanque, refieren a un voltaje de salida del sensor de presión determinado el

cual está relacionado con la altura del tanque y la densidad del fluido.

Se hace uso de la ecuación de la recta para relacionar linealmente la cantidad de

Volts que entrega el sensor a la salida con respecto a la presión medida en el

tanque.

Ecuación 2.2. Ecuación de la recta.

La ecuación antes citada se puede desarrollar tomando en cuenta para el eje ‘y’ la

salida de 25 mVcd del sensor (la diferencia entre el valor de comienzo y el valor de

llenado total, en mV) y para el eje ‘x’ la altura del tanque (la diferencia entre el



valor de comienzo y el valor de llenado total, en centímetros). Quedando como se

muestra a continuación:

Ecuación 2.3. Relación lineal, altura – volts, detectada por el sensor en el llenado

del tanque.

Para la ecuación 2.3 se ha considerado el valor de ‘b’ igual a cero, debido a que

en la siguiente gráfica el inicio está en el origen y no está desplazada hacia alguna

parte del plano cartesiano.

Lo anterior es posible apreciarse en la figura 2.4, la cual es una gráfica hecha en

Matlab y representa la función de primer grado mencionada.

Figura 2.4. Gráfica altura – voltaje sensor

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

Voltaje

sensor

de p

resio

n

Altura



2.6. Sensor de Flujo Gems tipo turbina

Figura 2.5. Sensor de Flujo

El sensor de flujo Gems tipo turbina proporciona un rango de flujo de salida exacto

y entrega un voltaje de corriente directa en forma de tren pulsos [13]. Los

parámetros bajo los cuales se seleccionó el sensor de flujo son los siguientes:

El sensor maneja un rango de flujo estándar de 4 a 20 GPM, sin embargo

se utilizo el rango de bajo flujo de 1.5 a 12 GPM ya que brinda una

exactitud del ±7%. Esto gracias al adaptador de bajo flujo con el que

cuenta el sensor.

Esta hecho de polipropileno y diseñado para conectarse a tubería de ½”.

Alimentación de entrada de 4.5 VDC a 24 VDC y una salida de pulsos con

los mismos valores.

Presión máxima de 100 PSI.

El principio de funcionamiento del sensor de flujo se describe en la siguiente

figura:



Figura 2.6. Principio de funcionamiento del sensor de flujo tipo turbina

2.7. Elementos Básicos de un Sistema en Lazo Cerrado

Se puede considerar que un sistema en lazo cerrado consiste de algunos

subsistemas básicos ordenados como muestra la figura 2.7. Estos elementos

pueden no ser partes distintas o equipos separados, pero todas las funciones de

los subsistemas estarán presentes. La entrada global al sistema de control es el

valor requerido de la variable, y la salida es el valor real de la variable.

Los elementos básicos se presentan a continuación:

Elemento de comparación. Este elemento compara el valor requerido o de

referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se

obtiene a la salida, y produce una señal de error lo cual indica la diferencia

del valor obtenido a la salida y el valor requerido.

Señal de error = Señal del valor de referencia – Señal del valor medido

Elemento de control. Este elemento decide que acción tomar cuando se

recibe una señal de error. A menudo se utiliza el término controlador para

un elemento que incorpora el elemento de control y la unidad de corrección.

Elemento de corrección. Este elemento se utiliza para producir un cambio



en el proceso al eliminar el error, y con frecuencia se denomina actuador.

Elemento proceso. El proceso, o planta, es el sistema donde se va a

controlar la variable.

Elemento de medición. Este elemento produce una señal relacionada con la

condición de la variable controlada, y proporciona la señal de

retroalimentación al elemento de comparación.

Una característica necesaria de un sistema de control en lazo cerrado es el lazo

de retroalimentación. Éste es el medio a través del cual una señal relacionada con

la variable real obtenida se retroalimenta para compararse con la señal de

referencia. Se dice que se tiene retroalimentación negativa cuando la señal

retroalimentada se sustrae del valor de referencia, esto es,

Señal de error = valor de referencia – señal de retroalimentación

La retroalimentación negativa es necesaria para que se logre el control.

Figura 2.7. Subsistemas en un sistema de control en lazo cerrado

Salida,

variable

controlada

Elemento

de

Seña

l de

erro

r

Realimentación

Entrada, valor de referencia

+ -

Elemento de

control

Elemento de

corrección

Elemento de

proceso

Elemento de

medición



2.8. Control de Lazo Cerrado

Un sistema de control en lazo cerrado tiene una señal de retroalimentación hacia

la entrada desde la salida, la cual se utiliza para modificar la entrada de modo que

la salida se mantenga constante a pesar de los cambios en las condiciones de

operación.

En un sistema de control en lazo cerrado la salida sí tiene un efecto sobre la señal

de entrada, y la modifica para mantener una señal de salida en el valor requerido.

2.9. Control Automático

Un sistema de control automático es aquel cuyos componentes físicos regulan su

actuación por sí mismos, es decir, sin intervención de agentes externos. Tiene

como fin lograr el mantenimiento de un valor de salida deseado. Esto puede

realizarse midiendo el valor de la salida existente del sistema, compararlo con el

valor deseado, y utilizar la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia,

el incorporar un lazo cerrado al control automático brindará un buen rendimiento

del sistema.

2.10. Controlador Automático

El controlador automático es el corazón de todo sistema de control automático y

puede ser definido como un dispositivo que maneja una entrada (desviación o

error), para producir una salida que es función de la forma matemática en que ha

sido programado.

Figura 2.8. Diagrama a bloques de la definición de un controlador automático



Código digital

de entrada

La forma matemática en que el controlador maneja la entrada es mejor conocida

como modo de control.

2.11. Control Digital

Los sistemas de control digital difieren de los sistemas continuos, o analógicos, en

que las señales en uno o más partes de ellos se encuentran en forma de trenes de

pulsos o códigos numéricos. En general, los datos digitales son las señales

generadas por computadoras o transductores digitales; lo usual es que estos

datos se encuentren codificados de alguna manera en formato digital.

Los elementos básicos de un sistema de control digital común son:

Figura 2.9. Sistema de control digital común

La conversión digital-analógica, o decodificación, consiste en transformar la

información numérica contenida en una palabra digital en una señal analógica

equivalente.

2.12. Controlador Digital PID

Uno de los controladores más utilizados en el diseño de sistemas de control es el

controlador proporcional – integral – derivativo (PID). Dicho controlador actúa

sobre una señal de error e(t).

Salida Computadora

Digital

Convertidor

digital-

analógico

Proceso

controlado

Convertidor

analógico-

digital



Ecuación 2.4. Ecuación del controlador PID

El control proporcional multiplica e(t) por una constante , el control integral

multiplica la integral con respecto al tiempo de e(t) por una constante y el

control derivativo genera una señal igual a veces la derivada con respecto al

tiempo de e(t). La función del control integral es proporcionar una acción que

disminuya el área bajo e(t), lo que conduce a la reducción del error de estado

estacionario. El control derivativo proporciona una acción anticipativa que reduce

el sobreimpulso y las oscilaciones de la respuesta en el tiempo. En este caso, el

control proporcional se implanta con una constante proporcional .

A continuación se muestran las funciones de transferencia para implementar de

manera digital la integración y la derivación.

Para la integración

Ecuación 2.5. Función de transferencia para la integración de manera digital para la derivación.

Ecuación 2.6. Función de transferencia para la derivación de manera digital.



𝑢 𝑘𝑇

Kp

𝑢 𝑧

𝑒 𝑘𝑇

𝐸 𝑧

𝐷𝐼 𝑧

𝐷𝐷 𝑧

El diagrama de bloques correspondiente al controlador digital PID es el siguiente:

Figura 2.10. Controlador digital PID

Siendo la siguiente función de transferencia la que representa el controlador PID

Donde es la constante del control proporcional, es el control integral y

es el control derivativo.

La ecuación anterior se sintetiza de la siguiente manera:

Ecuación 2.7. Función de transferencia de un controlador PID digital.

En consecuencia, el controlador digital PID tiene un polo en z=0 y otro en z=1-

Existen dos ceros que pueden ser reales o complejos conjugados [7].



2.13. Estrategia de control en cascada

Cuando un algoritmo de control con lazo simple, sea P, PI, PD o PID no es

suficiente para dar una respuesta satisfactoria del sistema, o este posee una

variable secundaria, medible a costo razonable, en estos casos es recomendable

la utilización de una estrategia de control en cascada, la cual es necesaria cuando

las perturbaciones afectan directamente a la variable de proceso manipulada, así

como para mejorar las prestaciones dinámicas del sistema.

Este tipo de estrategia de control utiliza la medida de variables internas para

detectar rápidamente el efecto de las perturbaciones e iniciar antes la acción

correctora.

La estructura de control en cascada se caracteriza por dos controladores

realimentados anidados, siendo la salida del primario el punto de consigna del

controlador secundario, por lo que la salida de este último es la que actúa

directamente sobre el proceso, ver figura 2.11.

Es por ello, que la solución al problema es dotar al sistema de un controlador

específico para regular la variable manipulada, ajustándose este a partir de la

señal de salida del controlador principal, por lo que se propone un sistema de

control que base su regulación en la medida directa del caudal que pasa por la

tubería.

El sistema de control propuesto en esta obra, conformado de dos controladores

proporcionales anidados entre sí, constituye un control en cascada.



Figura 2.11. Diagrama a bloques del sistema de control en cascada propuesto.

CONTROLADOR

PRIMARIO CONTROLADOR

SECUNDARIO

VALVULA PROCESO

TRANSMISOR

VARIABLE

PRIMARIA

TRANSMISOR

VARIABLE SECUNDARIA

-

-

+ +

Set-

Point



CAPÍTULO III Desarrollo

En este capitulo se desarrolla toda la parte del control del sistema, así como los

circuitos electrónicos utilizados para adecuar las señales entregadas por los

sensores y la etapa de potencia del motorreductor. Se analizarán y se justificará

todos los elementos electrónicos, los algoritmos y las estrategias de control

propuestas para el desarrollo del proyecto, conformado de tres partes medulares,

las cuales se explican a continuación:

Etapa de adquisición de datos: esta es la encargada de adecuar las señales

otorgadas por los sensores (presión, flujo, posición) a niveles compatibles con el

microcontrolador MSP430G2452, él cual es el encargado del control de la

servoválvula y la monitorización de la variable presión.

Etapa de control: esta es la encargada de darle el carácter autómata al sistema,

calculando la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere

obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso, logrando así,

una rápida estabilidad y respuesta al estado estacionario del sistema, en este caso



se trata de un control en cascada como estrategia de control, el cual se desarrolla

más adelante.

Etapa de potencia: esta es utilizada para energizar los devanados del motor de CD

por medio de un puente H encargado a su vez de controlar el sentido del giro y la

velocidad del motor.

Figura 3.1. Diagrama general del sistema de control

En el Anexo E, se pueden observar imágenes reales del sistema físico.



3.1. Etapa de adquisición de datos.

La etapa de adquisición de datos es una de las más importantes en un sistema

automático, puesto que, de ésta depende en gran medida que nuestro controlador

funcione adecuadamente. Como se explico anteriormente, ésta propuesta consta

de un sistema de control en cascada, el cual tiene la tarea de regular la posición

del motorreductor y al mismo tiempo controlar la variable flujo de la servoválvula.

Es por eso que, a continuación se detalla el método utilizado para la adquisición

de datos de cada una de las variables en cuestión; sean estas solo indicativas

(presión) o que estén incluidas en el lazo de control (posición, flujo).

3.1.1. Adquisición de datos de la variable presión.

A continuación se muestra la adquisición de datos del sensor de presión

manométrica MPX2010GP, el cual tiene un span de 25 mV.

Se realizó una adecuación de la señal por medio del circuito amplificador de

instrumentación INA128, el cual fue utilizado con una ganancia de 100 veces la

señal de entrada para poder obtener un máximo de 2.5 Volts. Dicho valor es el

voltaje de referencia interno del convertidor analógico-digital del microcontrolador

MSP430G2452, el cual como ya fue mencionado, tiene una resolución de 10 bits.

Por tanto, al usar la referencia interna de 2.5 volts, tenemos:

Lo cual indica la resolución del convertidor analógico digital, por ejemplo:

Si el convertidor analógico digital ve a su entrada un voltaje igual o mayor a 2.5

volts, este será digitalizado con la siguiente formula:



Es decir, que el máximo valor digitalizado, es el numero decimal 1023 o

hexadecimal 0x03FF para una entrada de voltaje de 2.5 volts.

La señal analógica de entrada es convertida a través del BIT 2 del puerto 1 del

microcontrolador, el cual está configurado para hacer conversiones continuas. El

valor digitalizado del sensor de presión es mostrado en un LCD 16x2, en el cual se

puede observar el porcentaje de la presión que posee el contenedor. El código del

programa de la adquisición de datos y visualización de la variable presión se

muestra en el anexo D.

Por otro lado, los valores de presión medidos por el sensor MPX2010GP en las

diferentes alturas del tanque se muestran a continuación:

Altura (m)

Presión

(KPa)

0.1 0.981

0.2 1.962

0.3 2.943

0.4 3.924

0.5 4.905

0.6 5.886

0.7 6.867

0.8 7.848

0.9 8.829

1 9.81

Tabla 3.1. Altura vs. Presión

Para la visualización del comportamiento de la variable de presión en el sistema

se realizó su gráfica en Matlab.



Figura 3.2. Gráfica altura vs presión

3.1.2. Adquisición de datos de la variable flujo

Al ser la variable flujo parte fundamental de los lazos de la estrategia de control en

cascada, ésta debe ser adquirida mediante el microcontrolador MSP430G2452,

sin embargo, la salida del sensor de flujo está dado por la relación de frecuencia

vs flujo.

Los valores de frecuencia entregados por el sensor de flujo tipo turbina en las

diferentes alturas del tanque se muestran a continuación:

Altura (m)

Frecuencia

(Hz)

0.21 22.45

0.26 25.37

0.31 28.15

0.36 31.03

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10Altura vs Presion

KP

a

m



0.41 33.2

0.46 35.46

0.51 37.88

0.56 39.96

0.61 41.66

0.66 43.45

0.71 45.39

0.76 47.1

0.81 48.35

0.86 48.62

0.91 48.88

Tabla 3.2. Altura vs. Frecuencia.

Para el cálculo del flujo que pasa a través del sensor a las diferentes alturas se

realizó una interpolación de los valores de frecuencia y su respectivo flujo,

contenidos en la hoja de datos del sensor. Los valores obtenidos son los

siguientes:

Frecuencia

(Hz)

Flujo

(GPM)

22.45 1.8061

25.37 1.9702

28.15 2.1388

31.03 2.3166

33.2 2.4506

35.46 2.5811

37.88 2.7155

39.96 2.8311

41.66 2.9255

43.45 3.0264



45.39 3.1405

47.1 3.2411

48.35 3.3147

48.62 3.3305

48.88 3.3458

Tabla 3.3. Frecuencia vs. Flujo

Para la visualización del comportamiento de la variable de flujo en el sistema se

muestra su gráfica a continuación:

Figura 3.3. Frecuencia vs Flujo

Para evitar retardos en el sistema de control a causa de medir frecuencia con el

microcontrolador MSP430G2452, se opto por el manejo del convertidor A/D, el

cual es un periférico independiente de la CPU del microcontrolador, por lo cual es

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 10 20 30 40 50 60

Flujo (GPM)

Flujo (GPM)

Frecuencia

Flujo



viable la utilización de un convertidor de frecuencia a voltaje, evitando así, posibles

retardos.

En la figura 3.5, se muestra el circuito propuesto, conformado de 3 etapas, las

cuales se explicaran a continuación.

3.1.2.1. Multiplicador de frecuencia.

Debido a que las señales de salida del sensor de flujo son muy bajas (del orden de

17 Hz a 50Hz), se deben de amplificar a valores a donde el circuito convertidor

frecuencia a voltaje sea más estable y evitar con ello la incursión de nuevos

elementos para mejorar la conversión.

Figura 3.4. Multiplicador de frecuencia

COMPIN3

VCOIN9

SIGIN14

CX16

CX27

INH5

R111

R212

PP1

PC1OUT2

PC2OUT13

VCOOUT4

DEMOD10

ZENER15

U1

4046

CKA14

Q012

CKB1

Q19

Q28

Q311

R0(1)2

R0(2)3

R9(1)6

R9(2)7

U2

74LS90

R1

10k

R2

10k

C1

1nF

R3

10k

C21nF

SENSOR_FLUJO

OUTPUT



Figura 3.5. Diagrama convertidor frecuencia a voltaje

3

2

1

411

U1:A

LM324

5

6

7

411

U1:B

LM324

10

9

8

411

U1:C

LM324

12

13

14

411

U1:D

LM324

R1

5.6k

RV1

5k

R2

20k

R3

20k

R4

20k

R5

20k

R620k

RV2

10k

R7

20k

R8

10k

R9

10k

R8(1)R9(2)

U1:D(V+) U1:D(V-)

U1:C(V+)

U1:C(V-)

V+

V-

U1:A(V-)

U1:A(V+)

COMPIN3

VCOIN9

SIGIN14

CX16

CX27

INH5

R111

R212

PP1

PC1OUT2

PC2OUT13

VCOOUT4

DEMOD10

ZENER15

U2

4046

CKA14

Q012

CKB1

Q19

Q28

Q311

R0(1)2

R0(2)3

R9(1)6

R9(2)7

U3

74LS90

R10

10k

R11

10k

C1

1nF

R12

10k

C21nF

CM

IN7

TH

R6

R-C

5

IOU

T1

RE

FI

2

FO

UT

3

GN

D

4 VC

C 8

U4

LM331

R13(1)

R13

10k

R14

10k

R15

10kR16

10k

C3

1nF

R17

10k

RV3

1k

C4

1nF

R18

10k

SENSOR_FLUJO

OUTPUT (0 - 2.5 VOLTS)



3.1.2.2. Circuito convertidor de frecuencia a voltaje.

Para tal fin se recurrió a la utilización del circuito integrado LM331, con la

configuración típica del convertidor en modo Frecuencia/Voltaje [14], como se

puede observar en la figura 3.4.

Figura 3.6. Circuito típico convertidor de frecuencia a voltaje

La conversión de frecuencia a voltaje depende de la relación que se muestra a

continuación:

(

)

Ecuación 3.1. Relación entre voltaje de salida y frecuencia de entrada

Por tanto:

Si la frecuencia otorgada por el sensor de flujo es multiplicada por 10 en todo el

rango, la frecuencia inferior de entrada es 170, mientras que la frecuencia máxima

seria 500.

CM

IN7

TH

R6

R-C

5

IOU

T1

RE

FI

2

FO

UT

3

GN

D

4 VC

C 8

U4

LM331

R13(1)

R13

10k

R14

10k

R15

10kR16

10k

C3

1nF

R17

10k

RV3

1k

C4

1nF

R18

10k

INPUT

OUTPUT



Sustituyendo en la ecuación anterior obtenemos los valores máximos y mínimos

de la conversión de F/V.

Voltaje de salida mínimo:

(

)

Voltaje de salida máximo:

(

)

3.1.2.3. Circuito amplificador de instrumentación.

Puesto que la señal obtenida del convertidor F/V es pequeña, se procede a

amplificarla por medio de un circuito amplificador de instrumentación, el cual fue

diseñado con los siguientes parámetros, los cálculos y el esquema se muestran a

continuación:

Ya que la ganancia es relativamente baja, se proponen las R de 20KΩ, con lo que:

Por lo que se propuso una resistencia de precisión de 5.6KΩ en serie con un

potenciómetro de 5KΩ, el cual se regulará para obtener el valor deseado.



Figura 3.7. Circuito amplificador de instrumentación

3.1.2.4 Calibración del circuito propuesto

Para poder obtener el rango de 0 a 2.5 volts, se llevó a cabo la siguiente

calibración:

Se introdujo una señal cuadrada con una frecuencia de 17Hz al circuito

completo propuesto y se procedió a regular el cero del circuito.

Una vez calibrado el cero del amplificador de instrumentación, se procede a

introducir una señal cuadrada con una frecuencia de 50Hz para poder

calibrar la ganancia del amplificador de instrumentación. Habiendo hecho

estos pasos se puede observar que para un barrido entre 17Hz y 50Hz se

tiene un voltaje de salida entre 0 y 2.5 volts.

3

2

1

411

U1:A

LM324

5

6

7

411

U1:B

LM324

10

9

8

411

U1:C

LM324

12

13

14

411

U1:D

LM324

R1

5.6k

RV1

5k

R2

20k

R3

20k

R4

20k

R5

20k

R620k

RV2

10k

R7

20k

R8

10k

R9

10k

R8(1)R9(2)

U1:D(V+) U1:D(V-)

U1:C(V+)

U1:C(V-)

V+

V-

U1:A(V-)

U1:A(V+)

OUTPUT (0 - 2.5 VOLTS)

INPUT



3.1.3. Lectura de pulsos del decodificador óptico.

El decodificador óptico (encoder) acoplado al eje del motorreductor 131:1 es de

tipo incremental y proporciona una resolución de 64 pulsos por revolución que

corresponden a 8384 pulsos por revolución con el sistema de engranes. Por otro

lado, el microcontrolador cuenta con una velocidad de muestreo de 200,000

muestras por segundo (200 Ks/s), permitiendo una lectura correcta para los pulsos

proporcionados del encoder.

Cabe mencionar que el encoder cuenta con 2 canales que entregan señales en

cuadratura con un defasamiento de 90° entre ellas. En base a esta característica

se definirá y controlará el sentido de giro, como se explicará más adelante.

El microcontrolador MSP430G2452 adquirirá los pulsos del encoder por medio de

interrupciones, las cuales serán activadas por flancos de subida, y por medio de

un algoritmo de control se regulará el ángulo de apertura de la servoválvula.

3.2. Etapa de control

El control digital de la servoválvula fue desarrollado en el microcontrolador

MSP430G2452, del cual ya se habló en el capitulo dos, donde se consideró las

características mas importantes del mismo.

Para controlar el sistema, fue programado un algoritmo de control digital

proporcional, el cual basto para obtener los objetivos deseados. En el Anexo F, se

puede observar el código fuente empleado.

3.2.1 Circuito detector de giro

Una parte crucial del control de posición es la correcta detección de la dirección

del motor, es decir que para poder llevar a cabo este tipo de control teniendo

como retroalimentación la señal de un encoder incremental es muy importante

disponer de un circuito que posea la característica de poder determinar si el motor

gira en sentido horario o antihorario, para con ello tomar decisiones en las

subsecuentes etapas de control.



El diseño se basó en la utilización de circuitos secuenciales, específicamente de

dos flip-flops tipo D, los cuales tienen el propósito de discriminar la señal de uno

de los dos canales del encoder, es decir, si el motor gira en sentido horario, la

señal del canal B se inhabilitara para dar paso únicamente al canal A, por otro lado

si el motor gira en sentido antihorario se cumple todo lo contrario.

Figura 3.8. Flip-flop tipo D.

La característica discriminatoria de este circuito lo constituye las prestaciones del

flip-flop tipo D, a continuación se muestra su tabla de verdad.

Operación Entradas Salidas

Preset Clear Reloj

(CLK)

Preset

(preposicionado)

0 1 X X 1 0

Clear (borrado) 1 0 X X 0 1

Prohibido 0 0 X X 1* 1*

Set (poner) 1 1 ↑ 1 1 0

Reset (reponer) 1 1 ↑ 0 0 1

Hold (mantener) 1 1 0 X

Tabla 3.4. Tabla de verdad Flip-flop tipo D.

De acuerdo a la figura anterior se entiende que únicamente habrá un cambio en el

estado del flip-flop tipo D cuando en la entrada de reloj se detecte un nivel positivo.



Por otro lado, los pulsos que entregue el encoder a través del canal que quede

habilitado serán contados ascendentemente o descendentemente (según sea el

caso) con el fin de adecuar la señal y mantener en memoria la posición actual.

Figura 3.9. Circuito detector de dirección de giro.

3.2.2. Circuito PWM

Los sistemas digitales de control de servomecanismos se caracterizan, entre otras

cosas, por poseer un circuito de modulación por ancho de pulso (PWM). En este

caso, es la señal de control que se utiliza para regular la velocidad de un motor de

corriente continua.

Para trabajar con señales PWM es necesario conocer los parámetros

fundamentales, los cuales son: el periodo y ciclo de trabajo. El ciclo de trabajo

indica el tiempo que la función vale uno respecto al tiempo total (el periodo). Por

ejemplo, se muestra en la figura 3.10 tres ciclos de trabajo distintos. Se puede

observar que el periodo del PWM se mantiene constante, puesto que lo único que

cambia es el tiempo en que la señal se mantiene en uno respecto al periodo total.

D04

Q02

Q03

D15

Q17

Q16

D212

Q210

Q211

D313

Q315

Q314

CLK9

MR1

U1

74LS175

D04

Q02

Q03

D15

Q17

Q16

D212

Q210

Q211

D313

Q315

Q314

CLK9

MR1

U2

74LS175

OUTPUT_ATRAS

OUTPUT_ADELANTE

CANAL_B

CANAL_A



Figura 3.10. Señal PWM

En otras palabras se puede decir que la función principal del PWM es variar la

corriente promedio con la cual el motor trabaja, haciendo con ello un incremento o

un decremento en la velocidad de este.

La forma fundamental de hacer una modulación por ancho de pulso se logra al

hacer una comparación entre una señal triangular continua (con frecuencia y

valores de amplitud máximos y mínimos invariantes) y una referencia constante.

La realización del control por PWM se logró a través del mismo microcontrolador

como se puede observar en el código del anexo F.



3.2.3. Control en cascada

Como fue explicado en el capítulo anterior, un sistema de control en cascada

consta de dos controladores como mínimo, uno primario y otro secundario, en este

caso el controlador primario corresponde a la variable flujo, el cual está

conformado por el set-point (flujo deseado), un controlador proporcional digital y

como retroalimentación la señal de un sensor de flujo tipo turbina.

A su vez, el controlador secundario está conformado por un controlador

proporcional digital, un modulador por ancho de pulso (PWM) y un circuito

detector de dirección y contador de pulsos, el cual constantemente está leyendo

(contando o decrementando) la posición y discriminando uno de los canales del

encoder incremental, este último actuando como el elemento primario que otorga

la señal de retroalimentación. Cabe mencionar que la salida de este segundo

controlador es el que actúa directamente en el proceso, es decir es el que

controlara directamente la servoválvula.

En la figura 3.11, se puede observar el diagrama de bloques del sistema

propuesto.



Figura 3.11. Diagrama de bloques general del sistema de control en cascada.

Perturbación

Válvula manual

PLANTA Servoválvula

PLANTA Tanque

CONTROLADOR Secundario

SENSOR Encoder

CONTROLADOR Primario

SENSOR De flujo

Set-Point

Salida



3.2.4. Diagrama de flujo

A continuación se muestra el diagrama de flujo del código propuesto:

VERDADERO

FALSO

INICIO

Inicialización de variables y periféricos del

microcontrolador

Adquisición de la variable del proceso 1 (flujo) mediante

ADC

error1 = S.P. – V.P.1

error2 = error1 – V.P.2

Obtención del valor absoluto de error2

Controlador Digital

Salida PWM

Error1> V.P.2 Cierre de la

válvula

Abertura de la válvula

SUBRUTINA

DE

INTERRUPCIÓN

INTERRUPCIÓN



Figura 3.12. Diagrama de flujo del código del algoritmo de control.

Donde:

V.P.1 = flujo

V.P.2 = posición

3.3. Etapa de Potencia.

La etapa de potencia del sistema está conformada en su totalidad por el conocido

puente H, L293.

3.3.1. Puente H.

Esta etapa consta de un circuito conformado por un puente H configurado para la

activación del motorreductor mediante la señal del PWM. Dicho puente H es

representado por el L293, éste integrado consta de 2 puentes H de alto voltaje y

alta corriente diseñados para aceptar niveles lógicos TTL así como el manejo de

cargas inductivas como relevadores y motores. Cuenta con 2 entradas de

Subrutina de interrupción

error1>V.P.2 V.P.2 - -

V.P.2 ++



habilitación encargadas de habilitar o deshabilitar el dispositivo

independientemente de las señales de entrada. Además contiene dos fuentes de

alimentación, una de ellas para los niveles lógicos, de este modo la parte lógica

trabaja a un bajo voltaje sin verse afectada por la alimentación principal del

dispositivo [15].

Figura 3.13. Circuito integrado L293

En la siguiente configuración se muestran dos terminales de control, las cuales se

usarán para determinar la dirección de giro del motor. Mientras que la señal del

PWM se conectará a la terminal de habilitación y de esta manera se activará el

motor a la velocidad deseada. El voltaje de alimentación (Vs) es de 5 V mientras

que el voltaje de alimentación para los niveles lógicos (Vss) es de 5 V, por lo cual

solo se utilizara una fuente de energía. El esquema de configuración del L293 es

el siguiente:

Figura 3.14. Configuración del L293.



Las resistencias SA y SB no fueron tomadas en cuenta, ambas terminales fueron

mandadas directamente a tierra.

3.4. Resultados

La figura anterior muestra una grafica resultado de la adquisición de datos por

medio de la DAQ NI USB-6008, con lo cual se aprecia la respuesta del sistema.

Por lo que podemos observar, existe una buena regulación debido a que el

controlador proporcional reduce rápido y satisfactoriamente el error en estado

transitorio, así mismo, se puede mencionar que se mantiene una respuesta

estable cuando la señal converge al valor deseado, es decir, al alcanzar el set-

point propuesto (8.5 lts/min).

Cabe mencionar que las diferentes pruebas fueron realizadas en un ambiente

distinto al de un laboratorio de pruebas. Sin embargo, se intento minimizar fuentes

de ruidos electromagnéticos que pudieran convertirse en perturbaciones

indeseadas en el sistema de control.

Por otra parte, es loable señalar que el controlador proporcional realizo un buen

trabajo al reducir el error en estado estacionario durante todo el tiempo en que el



sistema fue utilizado, a pesar de las perturbaciones provocadas por la apertura de

las válvulas manuales, así como, de las perturbaciones indeseables; ajenas a

nuestros propósitos experimentales, como lo es, el ruido.



CAPITULO IV Conclusión

En la actualidad, existen numerosos estudios e investigaciones sobre control en

sistemas de tanques, la gran mayoría están basados en el control de nivel de agua

u otros fluidos. Es por esto que en este trabajo se buscó analizar una variable

diferente, de gran importancia y cuyo estudio no es tan común como el nivel, esta

variable es el flujo y en base a ella gira el diseño, análisis, pruebas y conclusiones

expuestas a continuación.

Las servoválvulas constituyen en la industria un actuador de suma importancia

dentro de los procesos, sin embargo, éstas representan una fuerte inversión

económica. En este trabajo se propuso el diseño y construcción de una

servoválvula con el fin de demostrar que es posible la creación de un prototipo

capaz de regular y mantener el flujo de agua constante a través de una tubería, a

pesar de las perturbaciones deseables o indeseables que se pudieran presentar.



En base a los objetivos propuestos se realizó un análisis para definir las

consideraciones fundamentales en el proceso de diseño, construcción y control de

la servoválvula y su aplicación en el proceso de regulación de flujo de agua;

mismas que se exponen a continuación:

Es importante realizar una elección coherente y sensata de las características

físicas del sistema, ya que la única finalidad de este trabajo es demostrar a baja

escala la viabilidad del sistema propuesto y no su inmediata aplicación en la

industria.

La presencia de dos variables a controlar en el sistema propició una evaluación

extenuante sobre la estrategia de control a utilizar. Siendo estas variables

inherentes entre sí, la mejor elección constituyó el control en cascada debido a las

prestaciones que éste otorga.

Tras el estudio de las ventajas y desventajas presentes en los controladores

analógicos y digitales se decidió utilizar un controlador digital proporcional debido

principalmente a que permite una mayor flexibilidad en la programación, lo que lo

hace más versátil que los controladores analógicos. Además de ser menos

susceptibles a variaciones en las condiciones ambientales y perturbaciones.

La parte primordial de cualquier sistema de control lo realiza una adecuada

adquisición de datos, es por ello que a lo largo de este trabajo se puso mucha

atención en el diseño de los circuitos encargados de este propósito con el fin de

lograr un control viable y preciso, acorde a nuestros fines.

Sin embargo, para trabajos posteriores, los autores de esta obra recomendamos

ampliar este proyecto de investigación al incluir el estudio de diferentes clases de

controladores y realizar una comparación exhaustiva para elegir la mejor opción.

Por otra parte, seria buena idea considerar otro tipo de fluido a parte del agua.



Bibliografía

[1] Manual para servoválvulas y válvulas proporcionales en cadena cerrada.

VICKERS SYSTEMS S.A. 1990.

[2] TOSHIYA WATANABE ET ÁL., Development of the Small Flow Rate Water Hydraulic Servo valve. Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Meijo, Japón. 2010. [3] RONALD PAOLO BORJA ALDAZ Y BYRON RENATO PAREDES COQUE,

Diseño y la construcción de un módulo didáctico para el control de nivel de

líquidos. Departamento de Electrónica y Control, Escuela Politécnica Nacional,

Quito, Perú. 2007.

[4] ROBERT L. MOTT, Mecánica de fluidos. Pearson Prentice Hall. Sexta Edición.

2006.

[5] ANTONIO CREUS SOLE, Instrumentación Industrial. Marcombo. Séptima

Edición. 2005.

[6] MERLE C. POTTER, DAVID C. WIGGERT, Mecánica de fluidos. Ciencias e

Ingenierías. Tercera Edición. 2002.

[7] BENJAMIN C. KUO, Sistemas de control digital. Pearson Prentice Hall.

Séptima Edición. 1996.

[8] http://www.mathworks.com/products/simulink/

[9] http://www.mathworks.com/products/daq/

[10] http://www.ti.com/product/msp430g2452

[11] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/201986

[12] DATASHEET MPX2010GP, Motorola. 2008.

[13] http://www.gemssensors.com/~/media/GemsNA/InstructionBulletins/157258-h.ashx

[14] DATASHEET LM331, National Semiconductor. 2006.

[15] DATASHEET L293, Texas Instruments. 2002.



[16] KATSUHIKO OGATA, Ingeniería de Control Moderna. Pearson Prentice Hall.

2003.

[17] RICHARD C. DORF, ROBERT H. BISHOP. Sistemas de Control Moderno.

Pearson Prentice Hall. 2005.

[18] W. BOLTON, Ingeniería de Control. Alfaomega. Segunda Edición. 2001.

[19] SPARTACUS GOMARIZ CASTRO, ET AL. Teoría de Control, Diseño

Electrónico. Alfaomega. 1999.



Página 66

ANEXOS



Página 67

Anexo A. Tabla de conversiones de unidades de presión Psi

Pulgada columna de agua

Pulgada columna de Hg

Atmósfera ⁄

Centímetro columna de

agua

Milímetro columna de

Hg Bar Pa

Psi 1 27.68 2.036 0.0680 0.0703 70.31 51.72 0.0689 6894.76

Pulgada columna de

agua 0.0361 1 0.0735 0.0024 0.0025 2.540 1.868 0.0024 249

Pulgada columna de

Hg

0.4912 13.6 1 0.0334 0.0345 34.53 25.4 0.0338 3386.39

Atmosfera 14.7 406.79 29.92 1 1.033 1033 760 1.0132

⁄ 14.22 393.7 28.96 0.9678 1 1000 735.6 0.98 98066

Centímetro columna de

agua 0.0142 0.3937 0.0289 0.00096 0.0010 1 0.7355 0.0009 98.06

Milímetro columna de

Hg 0.0193 0.5353 0.0393 0.0013 0.0013 1.359 1 0.00133 133.322

Bar 14.5 401 29.53 0.987 1.02 1020 750 1

Pa 0.00014 0.0040 0.00029

0.01 0.0075 1



Página 68

Anexo B. Microcontrolador MSP430G2452



Página 69



Página 70

Anexo C. Sensor de Presión MPX2010GP



Página 71

Anexo D. Codigo de Programa adquisición de datos de la variable flujo.

#include "msp430x20x2.h"

#define LCM_DIR P1DIR

#define LCM_OUT P1OUT

#define LCM_PIN_RS BIT0 // P1.0

#define LCM_PIN_EN BIT1 // P1.1

#define LCM_PIN_D7 BIT7 // P1.7




#define LCM_PIN_MASK ((LCM_PIN_RS | LCM_PIN_EN | LCM_PIN_D7 | LCM_PIN_D6 |

LCM_PIN_D5 | LCM_PIN_D4))

#define FALSE 0

#define TRUE 1

void PulseLcm();

void SendByte(char,int);

void LcmSetCursorPosition(char,char);

void ClearLcmScreen();

void InitializeLcm(void);

void PrintStr(char *);

void vfBCD(long);

long temp;

long IntDegC;

long Porcentaje;

char UnidadMillar, Centena, Decena, Unidad;

void main(void)

// Stop watchdog timer to prevent time out reset

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

//DCO Trabajando a 1MHz aprox.

BCSCTL1 = CALBC1_16MHZ;

DCOCTL = CALDCO_16MHZ;

//Configuración del ADC10

ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_2 + MSC + REFON + ADC10ON + REF2_5V;

ADC10CTL1 = INCH_2 + ADC10SSEL_0 + CONSEQ_2;

ADC10AE0 |= BIT2;

ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC;



Página 72

InitializeLcm();

ClearLcmScreen();

SendByte(0x0C,FALSE);

SendByte(0x84,FALSE);

PrintStr("Porcs=");

for(;;)

temp = ADC10MEM;

Porcentaje = (temp * 10000)/(1023);

IntDegC = ((temp * 2500)/1023);

vfBCD(Porcentaje);

SendByte(0x8A,FALSE);

SendByte(UnidadMillar,TRUE);

SendByte(Centena,TRUE);

SendByte(0x2E,TRUE);

SendByte(Decena,TRUE);

Unidad = Unidad + 0x30;

SendByte(Unidad,TRUE);

__delay_cycles(5555555);

void PulseLcm()

LCM_OUT &= ~LCM_PIN_EN;


LCM_OUT |= LCM_PIN_EN;


LCM_OUT &= (~LCM_PIN_EN);


void SendByte(char ByteToSend, int IsData)

LCM_OUT &= (~LCM_PIN_MASK);

LCM_OUT |= (ByteToSend & 0xF0);

if (IsData == TRUE)

LCM_OUT |= LCM_PIN_RS;



Página 73

else

LCM_OUT &= ~LCM_PIN_RS;

PulseLcm();

LCM_OUT &= (~LCM_PIN_MASK);

LCM_OUT |= ((ByteToSend & 0x0F) << 4);

if (IsData == TRUE)

LCM_OUT |= LCM_PIN_RS;

else


PulseLcm();

void LcmSetCursorPosition(char Row, char Col)

char address;

if (Row == 0)

address = 0;

else

address = 0x40;

address |= Col;

SendByte(0x80 | address, FALSE);

void ClearLcmScreen()

SendByte(0x01, FALSE);


void InitializeLcm(void)

LCM_DIR |= LCM_PIN_MASK;

LCM_OUT &= ~(LCM_PIN_MASK);



Página 74



LCM_OUT &= ~LCM_PIN_EN;

LCM_OUT = 0x20;

PulseLcm();


SendByte(0x0E, FALSE);


void PrintStr(char *Text)

char *c;

c = Text;

while ((c != 0) && (*c != 0))

SendByte(*c, TRUE);

c++;

void vfBCD(long D)

UnidadMillar = 0x30;

Centena = 0x30;

Decena = 0x30;

if ( D >= 1000 )

do

D-=1000;

UnidadMillar++;

while ( D >= 1000 );

if ( D >= 100 )

do

D-=100;

Centena++;



Página 75

while ( D >= 100 );

if ( D >= 10 )

do

D-=10;

Decena++;

while ( D >= 10 );

Unidad = D;



Página 76

Anexo E. Código de programa del controlador digital proporcional #include <msp430g2452.h>

#include <math.h>

#include <float.h>

#include <stdlib.h>

short set_point=0,acumulador=0x0000;

short error=0,pwm=0,flujo=0,error_flujo=0,error_posicion=0;

short int pwm_abs=0;

void main( void )

// DETIENE EL WATCHDOG TIMER

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

//DCO Trabajando a 16MHz aprox.

BCSCTL1 = CALBC1_16MHZ;

DCOCTL = CALDCO_16MHZ;

P1SEL = 0x00;

P1SEL |= BIT2;

P1DIR |= BIT2+BIT3+BIT4;

P1DIR &= ~(BIT1+BIT5);

P1OUT = 0x00;

P2OUT = 0x00;

P2SEL = 0x00;

P2DIR &= ~BIT5;

//Configuración del ADC10

ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_1 + MSC + REFON + ADC10ON + REF2_5V;

ADC10CTL1 = INCH_1 + ADC10SSEL_0 + CONSEQ_2;

ADC10AE0 |= BIT1;

ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC;

//CONFIGURACION TIMER_A

CCR0 = 800; //Periodo o Frecuencia del PWM

CCTL1 = OUTMOD_7;

CCR1 = 480; //Ancho de Pulso PWM

TACTL = TASSEL_2+MC_1;

P1IE |= BIT5;

P1IES |= BIT5;

P2IE |= BIT5;

P2IES |= BIT5;

_EINT();

_BIS_SR(GIE);

set_point = 7000;

for(;;)

//Primer Controlador

flujo=ADC10MEM*8;

error_flujo=set_point-flujo;

//Segundo Controlador

error_posicion = error_flujo - acumulador;

pwm_abs=abs(error_posicion);

pwm = (pwm_abs)/(28);

CCR1 = pwm + 480;

if(error_flujo > acumulador)



Página 77

flujo = ADC10MEM*8;

error_flujo = set_point - flujo;




CCR1 = pwm + 480;

P1OUT |= BIT3;

P1OUT &= ~BIT4;

else

flujo = ADC10MEM*8;

error_flujo = set_point - flujo;




CCR1 = pwm + 480;

P1OUT |= BIT4;

P1OUT &= ~BIT3;

//Fin for

//Fin main

// Rutina de servicio de interrupcion del puerto 1

#pragma vector=PORT1_VECTOR

__interrupt void Port_1(void)

acumulador++;

P1IFG=0x00;

asm("RETI");

// Rutina de servicio de interrupcion del puerto 2

#pragma vector=PORT2_VECTOR

__interrupt void Port_2(void)

acumulador--;

P2IFG=0x00;

asm("RETI");

/*

Control en Cascada

"Primer controlador" -> Control de Flujo

error_flujo=set_point-flujo

Segundo Controlador -> Control de Posición

error_posicion=error_flujo-acumulador

*/



Página 78

Anexo F. Imagenes del sistema de proceso.

Figura F.1. Circuito – Adquisición de la variable presión.

Figura F.2. Circuito – Etapa de adquisición de datos del sistema.



Página 79

Figura F.3. Circuito – Etapa de control y de potencia

Figura F.4. Motorreductor de DC con encoder



Página 80

Figura F.5. Sensor de flujo tipo turbina.

Figura F.6. Indicador de flujo.



Página 81

Figura F.7. Tubería y válvula de globo acoplada mecánicamente a un motorreductor de DC con encoder.

Figura F.8. Sistema de control – Servoválvula para el control de flujo.

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