DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y AUTOMÁTICA FACULTAD DE MINAS

ÁREA: Automatización y Control Laboratorio de Control: Entrada – Salida

PRACTICA NO. 1

Introducción al manejo de las plantas entrenadoras de la National Instruments y lazo abierto de HVAC (Heating, Ventilation, and air conditioning).

Objetivos

• Reconocimiento de los equipos Elvis I/II de la National Instruments utilizando los entrenadores QNET: HVAC (calentador, ventilador y aire acondicionado), VTOL (despeje y aterrizaje vertical) y ROTPEN (péndulo invertido) para las prácticas del laboratorio de control.

• Analizar el comportamiento en lazo abierto para la planta HVAC, mediante entradas escalón.

INTRODUCCIÓN

El uso de herramientas que complementen los conocimientos teóricos adquiridos en la asignatura de control por medio de la práctica, hacen posible la formación integral de los estudiantes. Las herramientas de National Instruments como LabView y los entrenadores QNET permiten integrar software, instrumentación y diseño de sistemas de control para brindar acercamiento a sistemas reales de los cuales se obtienen sus parámetros de funcionamiento para ver su comportamiento en lazo abierto, lazo cerrado, con diferentes tipos de control (P, PI, PID) o sin él; afianzando los conocimientos y promoviendo el uso conjunto de software como Labview y Matlab,

1. HERRAMIENTAS DE LA NATIONAL INSTRUMENTS

LabVIEW:

¿Qué es LabVIEW? “LabVIEW es una plataforma de programación gráfica que ayuda a ingenieros a escalar desde el diseño hasta pruebas y desde sistemas pequeños hasta grandes sistemas. Ofrece integración sin precedentes con software legado existente, IP y hardware al aprovechar las últimas tecnologías de cómputo. LabVIEW ofrece herramientas para resolver los problemas de hoy en día y la capacidad para la

futura innovación, más rápido y de manera más eficiente”.

“El software LabVIEW es ideal para cualquier sistema de medidas y control y el corazón de la plataforma de diseño de NI. Al integrar todas las herramientas que los ingenieros y científicos necesitan para construir una amplia variedad de aplicaciones en mucho menos tiempo, NI LabVIEW es un entorno de desarrollo para resolver problemas, productividad acelerada y constante innovación”. Para este caso se implementa un conjunto de equipos e instrumentación virtual enfocados al Control por medio de entrenadores QNET en aspectos de; termodinámica con el control de temperatura de la cámara (HVAC), aerodinámica al controlar la dinámica básica de vuelo en aterrizaje y despeje vertical de un helicóptero (VTOL) y una aplicación más compleja como el péndulo invertido implementado en una aplicación industrial actuando como grúa “transporte objetos de un lugar a otro” (ROTPEN), cada una de las anteriores plantas de entrenamiento requieren un nivel de conocimiento previo de control. Los entrenadores QNET cuentan con una ventaja muy importante de que se pueden trabajar sobre las plataformas de ELVIS I/II

NI ELVIS I/II

Figura 1. NI ELVIS I

Figura 2. NI ELVIS II

“NI ELVIS es un componente principal de la plataforma de educación electrónica de NI con NI Multisim, la herramienta líder para la simulación SPICE y captura de esquemáticos y software NI LabVIEW. NI ELVIS I/II (Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), con las cuales cuenta la universidad actualmente, tienen una completa integración con NI Multisim y NI LabVIEW con este ultimo es con el cual se integrará para las practicas de laboratorio de control La gran diferencia entre las plataformas Elvis I y II, es que las primeras traen una tarjeta de adquisición de datos externa (NI USB 6251), mientras que en el ELVIS II esta tarjeta es interna.

Figura 3. Tarjeta de adquisición de datos NI USB 6251 Terminación masiva

Figura 4. Comparación de NI ELVIS I/II/II+

ENTRENADORES QNET:

VTOL:

figura 5: Entrenador QNET Helicóptero (VTOL)

ROTPEN:

figura 6. Entrenador QNET Péndulo Invertido (ROTPEN)

HVAC:

Figura 7. Entrenador QNET para control de temperatura (HVAC)

Figura 9. Cámara HVAC

1. Lámpara  Halógena    

2. Ventilador    

3. Sensor  de    Temperatura.    

4. Cámara  de  pexiglass  

2. PRE INFORME a. Vea el video de LabView disponible en link de la refencia [1] b. Lea “Las 10 razones para usar NI LabVIEW y conseguir una educación en ingeniería

efectiva” disponible en el link de la referencia [2]; y escriba 5 razones para el uso de este software de su interés y explique el por qué.

c. Vea el video de la plataforma NI ELVIS II disponible en el link de la referencia [3]. d. Lea “Top 10 Reasons to Use NI ELVIS” disponible en el link de la referencia [4]; y escriba 5

razones para el uso de esta plataforma de su interés y explique el por qué. e. Consulte y explique con sus palabras el funcionamiento del HVAC. f. ¿Cómo se identifica una función de transferencia de primer orden a partir de una grafica

con respuesta a una entrada al escalón?. Haga un ejemplo. g. Realice el montaje del ejemplo anterior en simulink.

3. ANALISIS EN LAZO ABIERTO PLANTA HVAC

Para el análisis en lazo abierto, se ejecuta la interface gráfica (01-QNET_HVAC_On_Off_Control.vi). Al abrirla se encontrar con el siguiente entorno

Figura 10. Interfaz QNET control ON- OFF para entrenador HVAC

Los elementos de interés para nosotros serán, la señal generada (señal de referencia), la gráfica de temperatura y el botón calibrar. En esta última gráfica podrá ver 2 variables, la de color azul es la señal de referencia y la señal roja es la temperatura dentro de la cámara. Como el fin es identificar la función de transferencia del proceso, lo que se hará es ver su respuesta ante una entrada escalón, representada en este caso por la lámpara.

Debe de revisar la conexión de los diferentes dispositivos, que todos se encuentren energizados y que el computador si este leyendo el dispositivo NI Server. Lo primero que se realizará es cambiar la escala de tiempo de la gráfica de temperatura. Sobre la gráfica se le da clic derecho y se ingresa a la opción “X Scale” y luego a “Properties” (ver figura 11). Aumentar la escala hasta 200 segundos

 

Figura 11

Se procede a correr la interfaz. Cambie la frecuencia de la señal generada a la más pequeña que pueda y coloque su amplitud en 5. Proceda a darle click al botón “Start Control”. Lo que sucederá es que la bombilla del HVAC se encenderá, por lo tanto la temperatura dentro de la cámara comenzará a aumentar. Debe esperar a que la temperatura dentro de la cámara se estabilice, cuando esto suceda darle click al botón “Pause Plots”. Debe obtener una gráfica similar a la siguiente  

Figura 12. Gráfica obtenida  

Como queremos estudiar estos datos, vamos a realizar esta gráfica en Matlab, para esto se procede a exportar los datos a Excel. Click derecho sobre la gráfica de temperatura, opción “Export” y luego “Export Data to Excel”

Se abrirá un archivo temporal en Excel el cual contiene 4 columnas. Nos interesan 2 columnas como tal: “Simulation Time – Actual Temperature”, “Amplitude - Actual Temperature”, se debe abrir un nuevo archivo en Excel y copiar estas dos columnas sin tener en cuenta el título. Colocar ambas columnas con la misma cantidad de decimales. A la columna de la amplitud de la temperatura vamos a restarle a todos los datos el valor inicial de temperatura (Valor de temperatura en la interfaz ”Ambient”- Recuadro “Calibrate”), esto con el fin de poder comparar esta respuesta con la que se encontrará después en Simulink. Preparar este archivo para poder leerlo con Matlab (cambio de “comas” por “puntos”, recuerde salvar en un archivo .csv)

4. INFORME

a) Importar a Matlab los datos obtenidos para reconstruir la señal de temperatura

b) De la gráfica encontrar la función de transferencia de primer orden.

c) Diseñar el sistema de lazo abierto obtenido en Simulink, exportar estos datos al workspace y comparar los resultados.

BIBLIOGRAFÍA

[1] http://www.ni.com/labview/applications/academic/esa/

[2]http://www.ni.com/white-paper/9081/es

[3] http://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-654

[4]http://www.ni.com/white-paper/7159/en [5] Rafael R., Pelegri J. “Labview 8.2 Entrono grafico de programación”. Alfaomega 2007.

[6] National Instrument www.ni.com

[7] Quanser (QNET) www.quanser.com