ARTICULO PELADOR DE NARANJAS

INTRODUCCION.

Transcurrido el tiempo y los semestres en la institución se han visto varias materias que debes de cumplir para llegar a la que ahora tomamos que es la materia de Robótica II. La enseñanza en las materias pasadas es la base para esta materia ya que nos enseñan de las partes que integran un circuito, como se forma uno, manipular las distintas partes de este y así cada materia cursada te va adentrando más a lo que es la electrónica y así poder armar circuitos más complejos como los que se vio a lo largo de este curso de Robótica II con el diseño del pelador con la ayuda de la tarjeta de control.

Actualmente, uno de los mayores retos en los sistemas de automatización industrial, es el de mantener precisión de la posición y velocidad de desplazamiento, esto, en las diferentes partes que componen un sistema en general, o de forma particular, una máquina o mecanismos de la misma de ahí el darnos a la tarea de desarrollar un pelador de naranjas el cual cumpla con todos los requisitos necesarios.

En el presente artículo vamos a describir la forma en que realizamos nuestro  pelador de naranjas así como sus partes que lo conforman, diseño, funcionamiento, etc.

OBJETIVO

            Desarrollar un pelador de naranjas automático, el cual estará controlado mediante un microcontrolador PICAXE, colocado en una tarjeta que puede programarse directamente del puerto USB de la computadora eléctrico con la mayor eficiencia y el menor costo posible.

HIPOTESIS.

Mediante la implementación de un microcontrolador PICAXE se controlara la automatización del diseño.

MATERIAL

·         Placa Fenolica

·         1 Tabla protoboard.

·         4 Interruptores.

·         1 Motor.

·         4 Opto acopladores.

·         6 Leds.

·         4Relevadores.

·         5 Resistencias 330 ohm.

·         Osciloscopio.

·         Cable de red.

·         2 Fuentes.

·         Multímetro.

·         Programming Editor PICAXE

·         PICAXE 18X

CARACTERISTICAS.

·         ALTURA 22cm.

·         LARGO 40cm.

·         PROFUNDIDAD 20cm.

·         MOTOR 12VCD.

·         POTENCIA: 4,22 W.

            VELOCIDAD DE CORTE: 0.0025m/s

DESARROLLO.

Este diseño consiste en manipular el movimiento de motores de corriente directa así como su dirección, la tarjeta consta de una fuente de alimentación que entrega voltajes de +15, -15 y 5 volts.

Dentro de la etapa de control se encuentra un arreglo de relés o relays; este arreglo es quien controla la dirección de los motores de c.c. Estos contienen leds indicadores que se encienden para observar la dirección que se activa en ese momento. Los dispositivos que ayudan a la activación de las diferentes direcciones son transistores BC548 NPN cuya base está conectada a las salidas del microcontrolador, por protección del microcontrolador se opto por colocar resistencias entre la base y las salidas del PICAXE 18X, esto para evitar que haya un rebote de corriente mayor a la salida del chip. El circuito consta de switchs o jumpers que selecciona si las entradas son analógicas o digitales, el micro controlador PICAXE 18X puede aceptar estas dos tipos de señales; otra de las características que presenta este circuito integrado es que los programas pueden descargarse directamente al micro controlador, por lo que no necesita de algún programador, esto se logra con una interfaz conectada directamente en la configuración del mismo chip. Para mandar la programación al PICAXE 18X se utiliza un Jack o una entrada de tipo estéreo que lleva dos resistencias, una de 10kΩ y otra de 22kΩ.

Para el acoplamiento de impedancias se utiliza un arreglo de amplificadores operacionales para que haya un mejor entendimiento de las señales para el circuito integrado. Algo muy importante es cuando se utilizan entradas analógicas, para cambiar a un valor digital se utiliza un dispositivo conocido como opto-acoplador (4N25), este dispositivo contiene en su interior un diodo emisor de luz y un foto-transistor, cuando se envía un potencial de voltaje al diodo este genera luz que llega a la base del foto-transistor y lo acciona permitiendo que hay un paso de corriente entre el colector y el emisor del mismo.

TARJETA DE CONTROL:

A continuación se presentan las configuraciones utilizadas para este diseño.

CONFIGURACION DE CONEXIÓN DE SALIDA PICAXE 18X.En esta figura se puede observar la configuración para las salidas del PICAXE 18X, en ellas se coloca la resistencia de protección, el led va conectado en serie con la bobina del relevador, la terminal sobrante es conectada al colector del transistor y el emisor a tierra.

PROCEDIMIENTO PARA DISEÑO DE CIRCUITO EN PCB WIZARD.

Primeramente para realizar el diseño en circuito impreso es necesario conocer el diagrama esquemático para poder transportarlo hacia el programa de diseño impreso.

Estando dentro del programa PCB WIZARD podemos seleccionar entre dos librerías, la que usaremos en este caso es la librería llamada PCB components. Se desplegara una ventana de componentes de tamaño real para el diseño de nuestra tarjeta.

Ahora seleccionamos la herramienta marcada con un círculo para poder unir los componentes, el usuario puede elegir la dirección de cada pista así como también el ángulo.

Una vez unidos todos los componentes podemos observar una vista previa de cómo quedara nuestra placa tanto del lado de abajo como del lado de arriba, el programa por si solo nos muestra el trazado de pistas por debajo de la placa.

El siguiente paso es pasar el circuito a un acetato para poder plancharlo en la tableta fenólica, lo recomendable es imprimir el circuito en una hoja de máquina y posteriormente hacer un fotocopiado en un acetato del mismo circuito. 

A continuación se prosigue a plasmar el circuito del acetato hacia la placa fenólica, esto se logra mediante la aplicación de calor, podemos utilizar una plancha y verificar que el lado que se está planchando sea el correcto. Antes de iniciar el planchado se recomienda limpiar la placa con un solvente para eliminar el polvo o impurezas que contenga la misma.

Después de aplicar calor durante 10 minutos se verifica que el planchado haya cumplido con el objetivo, se tiene que observar que en el acetato haya quedado la mínima cantidad del impreso, cuando no se pasa completamente se recurre al remarcado de pistas con un plumón permanente de punta fino.

Después del remarcado se prosigue con el quemado en cloruro férrico, esto se logra sumergiendo la placa con el impreso sobre la solución y hacer pequeños movimientos creando pequeñas olas para que el proceso de quemado sea más rápido.

Al término del proceso de quemado se debe verificar que no haya pistas rotas o algunas partes dañadas por el cloruro férrico, ya que en algunos casos esta solución es muy fuerte y llega a pasar el pintado del plumón.

Ahora se prosigue al limpiado de la placa, utilice algún tipo de solvente como thinner, alcohol, etc. esto para eliminar lo del plumón permanente para poder soldar sobre el cobre. Su placa debe de quedar como la siguiente figura cuando se ha retirado la tinta de ella.

Nuestro siguiente paso es el perforado de la placa, primeramente se debe de marcar un punto para cuando la broca entre no tenga problemas y así de esta manera hacer una perforación mas estética, esto con el fin de aprovechar cada nodo para el soldado de los componentes.

Cuando obtenemos nuestra placa perforada se prosigue con la colocación de cada dispositivo y el soldado del mismo, no se recomienda dejar mucho tiempo el cautín sobre las terminales de los componentes esto debido a que el calor que produce puede dañar las pistas o dañar los componentes.

Al termino de todo el proceso obtenemos nuestra placa con sus componentes montados en su respectiva posición, también es recomendable que se haga la prueba de pistas para evitar cortos producidos por la soldadura dispersa o por los residuos ocasionados por la pasta para soldar.

DISEÑO PELADOR.

Figura 1: Motor.

Figura 2: Cortador.

Figura 3: Sensores.

Figura 4: Pelador De Naranjas.

PROCEDIMIENTO

1Desarrollar la palca de control.

2 Desarrollar la base del pelador de naranjas.

3 Colocar el motor.

4 Desarrollar el pelador de naranjas.

5 Desarrollar el programa a controlar.

6 Programar el PICAXE.

7 Conectar las fuentes.

8 Conectar el motor.

9 Conectar los sensores.

10 Comprobar que este bien armado nuestro circuito.

11 Establecer los valores de voltaje que vamos a colocar en nuestros circuitos provenientes de la fuente.

12 Verificar que funcione correctamente el pelador de naranjas..

13 Hacer las verificaciones permanentes.

RESULTADOS

         Ya terminado el pelador de naranjas se le hicieron las pruebas correspondientes obteniendo los resultados deseados respecto a la cantidad de cascara de naranja que corto y con esto se determino que funciona correctamente.

Para un mejor apoyo se realizaron  las simulaciones pertinentes en el software llamado Programming Editor PICAXE en donde pudimos verificar que era correcta la programación efectuada al PICAXE 18X.

CONCLUSIONES

   Podemos concluir decir que nuestro pelador de naranjas es un dispositivo  que nos  sirve para cortar la cascara de naranjas en un menor tiempo y con un menor costo respecto a los peladores que se encuentran actualmente en el mercado.

   En la realización de este pelador de naranjas concluimos que es realmente importante conocer básicamente el funcionamiento de cada uno de los dispositivos electrónicos y eléctricos que fueron manejados en el presente proyecto. Otra de las cosas que concluimos es que nos pareció muy interesante como podemos cortar la cascara de una manera muy fácil y rápido por medio de señales de este tipo y mediante la utilización o implementación de un PICAXE el cual nos ahorro un gran número de circuitos que teníamos que realizar para ya llegar a obtener los resultados esperados.

 

VIDEO PELADOR DE NARANJAS

CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA DE CONTROL PID

El diseño de un sistema de control involucra tres pasos:

-Especificaciones de Diseño.

-Configuración del compensador o controlador.

-Parámetros del controlador.

El diseño de sistemas de control en el dominio del tiempo que emplea especificaciones de diseño tales como tiempo de levantamiento, tiempo de retardo, tiempo de asentamiento o sobrepaso máximo, resulta analíticamente factible sólo para sistemas de segundo orden o para aquellos que se puedan aproximar mediante sistemas de segundo orden.

Los procedimientos de diseño que emplean especificaciones en el dominio del tiempo son difíciles de establecer para sistemas de orden superior a los de segundo orden.

Especificaciones de Diseño

                Las especificaciones de diseño se emplean a menudo para describir qué debe hacer el sistema y cómo debe hacerlo. Dichas especificaciones son únicas para cada aplicación individual y, para el diseño en el dominio del tiempo de sistemas de control lineales tenemos entre otras: la precisión en estado estable, el sobrepaso máximo, los tiempos de levantamiento y de asentamiento, todas ellas definidas para la entrada escalón unitario.

                Cabe señalar que todas estas especificaciones en el dominio del tiempo se emplean normalmente como la medida final del desempeño del sistema.

Configuración del Controlador

                La mayoría de los métodos de diseño de sistemas de control convencionales se basan en el diseño de una configuración fija, por lo que el diseñador debe decidir el lugar donde el controlador estará colocado en relación con el proceso controlado.

                Debido a que la mayoría de los esfuerzos de control involucran la modificación o compensación de las características de desempeño del sistema, el diseño general que involucra una configuración fija también es llamado compensación.

Las configuraciones comúnmente empleadas para compensación con controlador son:

1. COMPENSACIÓN EN SERIE

Configuración más utilizada en la cual se coloca el controlador en serie con el proceso controlado, por lo que se conoce como configuración de compensación en serie o en cascada.



2. COMPENSACIÓN MEDIANTE REALIMENTACIÓN

Configuración en la cual se coloca el controlador en la trayectoria menor de realimentación.

3. COMPENSACIÓN MEDIANTE REALIMENTACIÓN DE ESTADO

Configuración en la cual se genera la señal de control mediante la realimentación de las variables de estado a través de ganancias constantes reales.

Configuración del Controlador

                Las configuraciones para compensación con controlador mostradas tienen un grado de libertad, ello por que sólo hay un controlador en cada sistema, aún cuando el controlador pueda tener más de un parámetro que pueda variar.               

                La desventaja de un controlador de un grado de libertad es que los criterios de desempeño que pueden realizarse están limitados. Por ejemplo, si seleccionamos las raíces de la ecuación característica para tener determinado amortiguamiento relativo, el sobrepaso máximo de la respuesta al escalón puede ser excesivo, debido a los ceros de la función de transferencia en lazo cerrado.

Configuración del Controlador

                Configuraciones para compensación con controlador con dos grados de libertad:

4. COMPENSACIÓN EN SERIE-REALIMENTADA

Configuración en la cual se emplea un controlador en serie y un controlador en realimentación.

5. COMPENSACIÓN PREALIMENTADA

a) El controlador pre-alimentado Gcf(s) es colocado en serie con el sistema en lazo cerrado, que tiene un controlador en serie Gc(s) en la trayectoria directa.

b) El controlador pre-alimentado Gcf(s) es colocado en paralelo con la trayectoria directa por tanto no está en el lazo del sistema y no afecta las raíces de la ecuación característica del sistema original.

Después de escoger una configuración para el controlador, el diseñador debe escoger un tipo de controlador que con la selección adecuada de los valores de sus elementos satisfaga todas las especificaciones de diseño.

Los tipos de controladores disponibles para el diseño de sistemas de control están limitados sólo por la imaginación.

Una vez elegido el controlador, la siguiente tarea es determinar los valores de los parámetros del controlador. Frecuentemente los parámetros interactúan unos con otros y afectan las especificaciones de diseño en formas conflictivas. Es claro que entre más especificaciones de diseño y más parámetros haya, el proceso de diseño se vuelve más complicado, aunado a que se basa en gran medida en la experiencia del diseñador, y algunas veces en la intuición, por lo que involucra inevitablemente tanto arte como ciencia.

En general, podemos resumir las características en el dominio del tiempo que podemos emplear como guía para propósitos de diseño:

1. Los polos complejos conjugados de la función de transferencia en lazo cerrado producen una respuesta al escalón unitario sub-amortiguada.
2. Si todos los polos son reales, la respuesta al escalón unitario es sobre-amortiguada.
3. Los ceros de la función de transferencia en lazo cerrado pueden causar un sobrepaso aún si el sistema es sobre-amortiguado.
4. La respuesta de un sistema está dominada por aquellos polos más cercanos al origen del plano s (polos dominantes).
5. Los transitorios debidos a aquellos polos a la izquierda decaen más rápido.
6. Mientras más alejados a la izquierda del plano s estén los polos dominantes del sistema, éste responderá más rápido.
7. Mientras más alejados a la izquierda del plano s estén los polos dominantes del sistema, éste será más caro y más grandes serán sus señales internas.
8. Cuando un polo y un cero de una función de transferencia de un sistema se cancelan uno con el otro, la porción de la respuesta del sistema asociada con el polo tendrá una magnitud más pequeña.
9. Las especificaciones en los dominio del tiempo y de la frecuencia están asociadas vagamente.

El Controlador PD

Función de transferencia del controlador 

Señal de control aplicada al proceso

El controlador PD es en esencia un control anticipativo. Lo anterior debido a que de(t)/dt representa la pendiente de e(t), y al conocer la pendiente, el controlador puede anticipar la dirección del error y emplearla para controlar mejor el proceso.

Ventajas del control derivativo o PD:

•           Tendrá efecto en el error de estado estable sólo si el error varía con respecto al tiempo.

•           Añade un cero simple en s = - KP / KD a la función de transferencia de la trayectoria directa.

•           No altera el tipo del sistema, que gobierna el error en estado estable de un sistema con realimentación unitaria.

•           Mejora el sobrepaso máximo y mejora el amortiguamiento.

•           Reduce los tiempos de levantamiento y de asentamiento.

El controlador PD es en esencia un control anticipativo. Lo anterior debido a que de(t)/dt representa la pendiente de e(t), y al conocer la pendiente, el controlador puede anticipar la dirección del error y emplearla para controlar mejor el proceso.

Desventajas del control derivativo o PD:

•           No es efectivo para sistemas ligeramente amortiguados o inicialmente inestables.

•           Puede requerir un capacitor muy grande en la implementación del circuito.

Implementación

Para implementar los diferentes tipos de controladores (P, PD, PI, PID) en MatLab se hace uso de la función de transferencia propia del sistema a objeto de estudio. Donde G(S) es la función de transferencia de un proceso; mientras que C(S) es la función de transferencia del controlador.

CONTROLADOR  PID

El controlador PID (Proporcional Integral Derivativo), es el controlador que en mayor medida se emplea, ya que combina las mejores características de los controladores PI y PD.

Lo anterior debido a que un controlador PD puede añadir amortiguamiento a un sistema, pero no afecta la respuesta en el estado estable.

Por otro lado el controlador PI puede mejorar la estabilidad relativa y el error del estado estable del sistema al mismo tiempo, pero el tiempo de levantamiento se incrementa.

Considere que el controlador PID no es sino un controlador PD conectado en cascada con otro controlador del tipo PI.

Para implementar los diferentes tipos de controladores (P, PD, PI, PID) en MatLab se hace uso de la función de transferencia propia del sistema a objeto de estudio. Si dicho sistema es de la forma:

donde G(S) es la función de transferencia de la planta o proceso; mientras que C(S) es la función de transferencia del controlador.

Para el caso del controlador proporcional, C(S)=Kp, que es una constante o valor escalar. El controlador PI es C(S)=Kp + Ki/S que puede representarse como una relación ente dos polinomios. El controlador PID es C(S)=Kp + Ki/S + Kd S que se representa como:

que es de nuevo una relación entre dos polinomios. Los coeficientes decrecientes en potencias de S de estos polinomio pueden ser almacenados en vectores en MatLab. Si se multiplica el controlador C(S) por la función de transferencia del proceso o planta G(S) se formará la función de transferencia de lazo abierto. Por ejemplo un G(S) puede ser:



Para obtener la respuesta en lazo abierto ante una entrada escalón unitario tenemos:

En esta grafica podemos observar los diferentes controladores en donde podemos comprobar que el controlador PID es el mas completo.

Mediante la implementación del software llamado Matlab se llevara a cabo la comprobación de un sistema con base a su función ya establecida.

Graficando el sistema original con K=1 podemos comprobar que el sistema no cumple con las especificaciones deseadas como tal es el caso del tiempo de levantamiento (tr).Por lo que es necesario agregar el controlar.

Por lo que se da ala tarea de desarrollar dicha funcion como se ve a continuacion:

Podemos observar que el sobre paso máximo es menor del 5%. El tiempo de levantamiento es menor de 0.01s y el tiempo de asentamiento es menor de 0.02s según lo establecido.

Podemos observar que el error en estado estable en la parábola es menor de 0.2.

En este ejemplo podemos observar la implementación de un sistema de control PID de lazo cerrado en que se basa de un sistema original al que se le añade un sistema de control PI y después el sistema de control  PID en el que podemos comprobar el mejor funcionamiento del controlador PID graficando la función normal  y la función rampa.

Como sabemos el objetivo de cualquier sistema de control es llegar en el menor tiemplo posible a su estado  estable  y como se pudo observar graficando no es hasta con el controlador PID cuando se logra observándolo con el sistema normal y la función rampa.

Bibliografia: Benjamin C Kuo, "Sistemas De Control Automatico",  Prentice Hall, Septima Edicion.

UNIDAD 2

SCR


El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn . Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.
Si se desea que el paso al estado "ON" se realice para tensiones Vak inferiores a Vb0, será necesario dotar al dispositivo de la corriente de puerta (Ig) adecuada para que dicha transición se realice cuando la intensidad de ánodo supere la intensidad de enganche (IL ). Por el contrario, si el dispositivo esta en conducción, la transición al estado "OFF" se produce cuando la corriente de ánodo caiga por debajo de la intensidad de corriente de mantenimiento (Ih). La sigla IGBT corresponde a las iniciales de isolated gate bipolar transistor o sea transistor bipolar de puerta de salida.
Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.
El SCR es, por tanto, un dispositivo conductor solo en el primer cuadrante, en el cual el disparo se provoca por:
- Tensión suficientemente elevada aplicada entre ánodo y cátodo,
- Intensidad en la puerta. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF Þ ON, usando la corriente de puerta adecuada.