En este proyecto se elabora un diseño no convencional de un prototipo de péndulo invertido, el cual puede emplearse en los programas de pregrado y posgrado de Ingeniería en el área de Automatización Industrial, para que de manera didáctica puedan analizar, validar y confrontar la Teoría de Control en una aplicación Real. El diseño mecánico de este prototipo fue inicialmente elaborado en Solidwors (un programa de diseño que permite simular el movimiento del péndulo y las restricciones a tener en cuenta a la hora de plantear el modelo matemático); el análisis y diseño del Sistema de Control del prototipo se hizo en MATLAB (software que permite calcular y simular el prototipo y su controlador para que con su modelado matemático realizar el análisis de estabilidad en estado estacionario y estable, confrontar su forma de onda tanto en lazo abierto como cerrado a través de las diferentes técnicas de control), con el fin de seleccionar el controlador más apropiado para corregir en forma rápida cualquier perturbación para mantener la barra del péndulo totalmente vertical.
A partir de los resultados analizados en el funcionamiento y diseño del prototipo de péndulo invertido y su sistema de control, se encontró como limitante técnica para el tiempo de estabilización fuera menor o igual a cinco segundos y mayor o igual a un segundo. El controlador PID convencional implementado no brindó la respuesta deseada apropiado para sistemas de regulación, debido a que el sistema de péndulo invertido es un sistema de seguimiento, razón por la cual el controlador desarrollado e implementado fue un controlador PID de velocidad.
El control del prototipo se hizo en LABVIEW a través de la tarjeta de adquisición de datos DAQ6215 de National Instruments permitiendo así la inclinación de la barra y la corrección de la señal de la salida enviada al motor para corregir el movimiento y conseguir la estabilización del sistema obteniendo los resultados esperados.
Inhaltsverzeichnis
- TABLA DE CONTENIDO
- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
- JUSTIFICACION
- OBJETIVOS
- OBJETIVO GENERAL
- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- MARCO HISTORICO
- MARCO REFERENCIAL
- INTRODUCCION
- MARCO CONCEPTUAL
- A. DISEÑO DEL PROTOTIPO DE UN SISTEMA MECÁNICO DE PÉNDULO INVERTIDO CON EL SOFTWARE DE CAD 3D SOLIDWORKS
- PROTOTIPO
- SISTEMA MECÁNICO
- PÉNDULO INVERTIDO
- DEFINICIÓN DE SOFTWARE DE CAD 3D
- DEFINICIÓN DE SOFTWARE SOLIDWORKS
- DISEÑO DEL PROTOTIPO DE PÉNDULO INVERTIDO CON EL SOFTWARE CAD MECÁNICO EN 3D.
- Pasos para crear la rueda del péndulo invertido
- Ensamble del péndulo invertido en Solidworks.
- Descripción del ángulo del péndulo.
- ANÁLISIS MECÁNICO DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL PÉNDULO INVERTIDO DISEÑADAS BAJO SOLIDWORKS
- Análisis dinámico
- Análisis estático
- Modulo de elástico.
- Fuerza
- Presión.
- Densidad
- Coeficiente de Poisson
- DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL DE LAS PIEZAS DISEÑADAS PARA EL PROTOTIPO DE PÉNDULO INVERTIDO.
- Descripción propiedades físicas de la pieza “plato base péndulo”
- Descripción propiedades físicas de la pieza "soporte base y monociclo".
- Descripción propiedades físicas de la pieza “base potenciómetro péndulo”.
- Descripción propiedades físicas para la pieza “base acople superior péndulo”.
- Descripción propiedades físicas de la pieza \"rueda péndulo”
- Descripción propiedades físicas de la pieza “péndulo”
- Descripción propiedades físicas “base completa del péndulo”
- Descripción propiedades físicas \"ensamble completo superior del péndulo”
- RODAMIENTOS
- Según la dirección de la carga
- Según la rigidez del rodamiento
- Según su elemento rodante
- B. MODELO MATEMATICO DEL PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE PÉNDULO INVERTIDO CON BASE EN LA HERRAMIENTA MATLAB
- MODELO MATEMÁTICO
- ANÁLISIS DE ESTABILIDAD EN EL LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAÍCES
- ANÁLISIS DE RESPUESTA CON LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA OBTENIDA EN LAZO ABIERTO...............
- ANÁLISIS DE RESPUESTA CON LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA OBTENIDA EN LAZO CERRADO SIN CONTROLADOR
- ANÁLISIS DE RESPUESTA CON LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA OBTENIDA EN LAZO CERRADO CON ....... CONTROLADOR PID
- SIMULACIÓN DEL PÉNDULO INVERTIDO EN UN MONOCICLO
- C. IMPLEMENTACION DEL PROGRAMA LABVIEW PARA EL CONTROL DEL PENDULO INVERTIDO
- DEFINICIÓN
- ADQUISICIÓN DE DATOS EN LABVIEW
- CAPTURA DE DATOS EN LABVIEW
- CONEXIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
- SELECCIÓN Y ANÁLISIS DEL POTENCIÓMETRO
- IMPLEMENTACIÓN DEL INVERSOR DE GIRO
- APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
- IMPLEMENTACIÓN DE UN PWM
- IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA DE CONTROL
- DESARROLLO DE UN CONTROLADOR PID EN LABVIEW PARA EL CONTROL DEL PÉNDULO INVERTIDO
- Control PID convencional.
- Control PID de velocidad.
- COMPARACIÓN DE LOS CONTROLADORES PID IMPLEMENTADOS
- CONCLUSIONES
- DISEÑO METODOLÓGICO
- LA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
- ANÁLISIS DESCRIPTIVO
- INVESTIGACIÓN EMPÍRICO - ANALÍTICO
- TIPO DE ESTUDIO
- FASE EXPLORATORIA
- Etapa de Análisis y Diseño Mecánico 3D
- Etapa de análisis y diseño matemático
- Etapa de desarrollo y simulación física
- Etapa de Implementación en MATLAB y Labview
- CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
- ACTIVIDAD 1. FABRICACIÓN DE PROTOTIPO DE PÉNDULO
- ACTIVIDAD 2. RECOPILACIÓN DE LOS PROTOTIPOS DE PÉNDULO INVERTIDO.
- ACTIVIDAD 3. HIPÓTESIS PARA EL MEJORAMIENTO DEL DISEÑO.
- ACTIVIDAD 4. INVESTIGACIÓN DE ELEMENTOS APLICADOS PARA EL PROCESO....
- ACTIVIDAD 5. ENTREGA DE ANTEPROYECTO.
- ACTIVIDAD 6. ANÁLISIS Y PRE DISEÑO DEL SISTEMA PROPUESTO.........
- ACTIVIDAD 7. DISEÑO MECÁNICO CON SOLIDWORKS.
- ACTIVIDAD 8. PRE DISEÑO CON MATLAB
- ACTIVIDAD 9.PREDISEÑO CON LABVIEW
- ACTIVIDAD 10. VALIDACIÓN DE VARIABLES
- ACTIVIDAD 11. FABRICACIÓN DE LOS SISTEMAS MECÁNICOS.
- ACTIVIDAD 12. PRE SIMULACIÓN SISTEMA MECÁNICO
- ACTIVIDAD 13. CONCERTACIÓN DE LA APLICACIÓN PARA EL SISTEMA FINAL.
- ACTIVIDAD 14. EVALUACIÓN DEL DISEÑO CON MATLAB Y LABVIEW.....
- ACTIVIDAD 15. ANÁLISIS DEL CONTROLADOR PARA EL SISTEMA DE CONTROL.
- ACTIVIDAD 16. ELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL MÁS ADECUADO PARA EL PÉNDULO.
- ACTIVIDAD 17. ENTREGA FÍSICA DEL PROYECTO....
- ACTIVIDAD 18. SIMULACIÓN DEL SISTEMA Y MECÁNICO.
- ACTIVIDAD 19. PRESENTACIÓN FINAL DEL CONTROL DE UN PROTOTIPO PÉNDULO INVERTIDO
- PRESUPUESTO DE UN PROTOTIPO DE PENDULO INVERTIDO
- BIBLIOGRAFIA
- ANEXOS
- INSTALACIÓN DEL SOFTWARE CAD MECÁNICO EN 3D.
- TUTORIAL DE MATLAB.
- Vectores y Matrices.
- Operaciones
- Creación de vectores y matrices.
- Acceso a posiciones
- Creación de Rangos
- Suma de vectores.
- Multiplicación de matrices y vectores
- Transposición de vectores.
- Definición de funciones con M-files
- Los operadores condicionales
- Los operadores lógicos.
- MANEJO DE SIMULINK
- MANEJO DEL GUIDE.
- INSTALACIÓN DE LABVIEW 8.6.
- COMENZAR A PROGRAMAR EN LABVIEW 8.6
- Botones comunes.
- Botones de la barra de herramientas
- INSTALACIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS USB 6215.
- PLANOS
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
El trabajo de tesis tiene como objetivo el diseño, análisis y simulación de un prototipo de péndulo invertido y su respectivo sistema de control para el laboratorio de control de la Universidad Antonio Nariño, sede Manizales. El objetivo es proporcionar una herramienta didáctica para los estudiantes de ingeniería en automatización industrial.
- Diseño y desarrollo de un prototipo de péndulo invertido.
- Análisis mecánico y dinámico del prototipo.
- Modelado matemático del péndulo invertido utilizando herramientas de simulación como MATLAB.
- Implementación de un sistema de control para el péndulo invertido utilizando la herramienta LabView.
- Validación experimental del sistema de control desarrollado.
Zusammenfassung der Kapitel
El capítulo 1 presenta el planteamiento del problema, la justificación, los objetivos generales y específicos del trabajo de tesis. El capítulo 2 presenta el marco histórico y referencial, incluyendo una introducción al concepto de péndulo invertido y una revisión bibliográfica de los diferentes diseños y sistemas de control existentes.
El capítulo 3 se enfoca en el diseño del prototipo de péndulo invertido utilizando el software de CAD 3D Solidworks. Se describe el proceso de diseño de las piezas, el montaje del péndulo y el análisis mecánico de las propiedades físicas de las piezas.
El capítulo 4 presenta el modelo matemático del péndulo invertido basado en la herramienta MATLAB. Se realiza un análisis de estabilidad en el lugar geométrico de las raíces, así como un análisis de respuesta con la función de transferencia obtenida en lazo abierto y en lazo cerrado, tanto sin como con controlador PID.
El capítulo 5 describe la implementación del programa LabView para el control del péndulo invertido. Se exponen las diferentes etapas del proceso, desde la adquisición y captura de datos hasta la implementación de un controlador PID en LabView.
Schlüsselwörter
Los principales temas y conceptos que se exploran en el trabajo de tesis son: péndulo invertido, diseño mecánico, análisis dinámico, modelado matemático, MATLAB, LabView, sistema de control, control PID, prototipo, herramienta didáctica.
- Citar trabajo
- Doctor of Sciences (Cum Lauden) with major in Electronic Engineering Ruben Dario Cardenas Espinosa (Autor), Orozco Osorio (Autor), Pérez Cardona (Autor), Pineda Palacio (Autor), 2009, Diseño, Análisis y Simulación de un Prototipo de Péndulo Invertido y su respectivo Sistema de Control para el Laboratório de Control de la UAN Sede Manziales, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/164094
