Labviewpolitecnico

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACÁN

DISEÑO DE UN CONTROLADOR PID POR COMPUTADORA
PARA UN SISTEMA DE NIVEL DE LÍQUIDO

T E S I S
Que para obtener el título de:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

Presenta:
JUAN FRANCISCO MÁRQUEZ RUBIO.

Asesores: Dr. Basilio del Muro Cuellar.
M. en C. Omar Jiménez Ramírez

MEXICO D.F.,OCTUBRE 2006

Diseño de un controlador PID por computadora para un sistema de nivel de líquido.

INDICE

Introducción . . . . . . . . . 1
Estructura de la tesis. . . . . . . . . 2

Capítulo 1. Marco de Referencia. . . . . . . 4
1.1 Introducción. . . . . . . . . 5
1.2 Objetivos. . . . . . . . . . 5
1.2.1 Objetivo general. . . . . . . . 5
1.2.2 Objetivos particulares. . . . . . . . 5
1.3 Justificación. . . . . . . . . 5
1.4 Descripción general de un sistema de nivel de líquido. . . . 6

Capítulo 2. Selección del elemento de medición. . . . . 10
2.1 Introducción. . . . . . . . . 11
2.2 Sensores de nivel de líquido. . . . . . . 11
2.3 Consideraciones para la selección del elemento de medición. . . 13
2.4 Selección del elemento de medición. . . . . . 15
2.5 Características del elemento de medición. . . . . . 16
2.6. Construcción del sistema de nivel de líquido. . . . . 20

Capítulo 3. Selección de la tarjeta de adquisición de datos. . . . 23
3.1 Introducción. . . . . . . . . 24
3.2 Consideraciones para la selección del hardware. . . . . 24
3.3 Selección del hardware adecuado. . . . . . . 28
3.4 Descripción del hardware seleccionado. . . . . . 29

Capítulo 4. Diseño del controlador PID. . . . . . 34
4.1 Introducción. . . . . . . . . 35
4.2 Acción del control PID. . . . . . . . 36
4.2.1 Acciones básicas de control. . . . . . . 36
4.2.2 Acción de control proporcional-integral derivativo. . . . . 37
4.3 Método del lugar geométrico de las raíces. . . . . . 38
4.3.1 Condición de ángulo y de amplitud o modular. . . . . 38
4.4 Obtención del modelo matemático del sistema de nivel de líquido. . . 40
4.5 Compensación del sistema de nivel de líquido. . . . . 48

Juan Francisco Márquez Rubio


Capítulo 5. Programación del controlador PID en Labview. . . . 54
5.1 Introducción. . . . . . . . . 55
5.2 Características de Labview. . . . . . . . 58
5.2.1 Requerimientos mínimos para la instalación de Labview. . . 60
5.3 Programación en Labview de la variable de interés. . . . . 61
5.4 Programación del controlador PID. . . . . . . 68
5.5 Acondicionamiento de la señal de control. . . . . . 75

Capítulo 6. Resultados y conclusiones . . . . . 77
6.1 Resultados. . . . . . . . . 78
6.2 Conclusiones. . . . . . . . . 82
6.3 Perspectivas. . . . . . . . . 83

Bibliografía . . . . . . . . . 84
Apéndice A. Especificaciones de la NI-USB-6009. . . . . 85



AGRADECIMIENTOS.

Quiero agradecer a Dios por darme la oportunidad de vivir tantas experiencias a lo largo de mi
vida y por permitirme terminar otra etapa de mi preparación académica.

Agradezco al Instituto Politécnico Nacional primero por permitirme formar parte de la
comunidad estudiantil y por darme una excelente educación profesional a través de todos los
profesores del CECyT No. 11 y ESIME- Culhuacán.

Dedico éste trabajo a mis padres: Francisco Márquez Álvarez y María del Carmen Rubio por
ser los mejores guías del planeta y mis mejores amigos, a mis hermanos: Eve, Chino, e Italy (el
enano) y a mi abuelo Aurelio Márquez Resendiz por el gran apoyo que me brindaron durante mi
preparación académica. Agradezco infinitamente el apoyo y cariño de mi tío Joel (muchas gracias
por preocuparse y creer en mí). También aprecio el apoyo de mi tía Lupe y tía Tere. Y por supuesto
a mi tío Carlos y tía Elena, muchas gracias por su aprecio y apoyo.

Agradezco infinitamente el apoyo de mis asesores Dr. Basilio del Muro Cuellar y M. en C.
Omar Jiménez Ramírez.

Doy gracias a todos mis amigos del fabuloso, inolvidable, fantástico, maravilloso, irrepetible e
increíble grupo XC3M: Ale, Jess, Sandy, Chipis, Cesar, Pedrito, Sonico, Chisto, David, Terrorista
(José), Oso, Potro, Lubina, Marcovich, Omaro, Saúl, Chko, Valente, Omar Jiménez, Edgar (primo),
al NEGRO (de mis mejores amigos: mi hermano), y todos los compañeros por haber compartido
tantos momentos inolvidables dentro y fuera de la escuela, por su amistad y confianza. De
Comunicaciones Generación 2002-2006 a Chio sobre todo “por soportarme”, su familia: Sr. Reyna,
Sr. Narciso, Rosa, Lalo, Raúl, Moni, Adrián y Sandra por abrirme las puertas de su hogar, por su
confianza y aprecio y Ale por su amistad.

Finalmente agradezco a todos por creer en mí.

“Señor concédeme la serenidad de aceptar las cosas que
no puedo cambiar, el entusiasmo para cambiar las cosas que
sí puedo, y la sabiduría para comprender la diferencia.”



INTRODUCCIÓN.

El control de nivel de líquidos en tanques y el flujo entre ellos es un problema muy común en
los procesos industriales. Tales procesos requieren sistemas que permitan el bombeo de líquido
para ser almacenado y posteriormente ser bombeado a otro tanque. En general, el líquido será
procesado por tratamientos químicos en los tanques, pero siempre el nivel de líquido y el flujo entre
los tanques debe ser regulado. El control de nivel y flujo en tanques es fundamental en los
sistemas de ingeniería química.

Estas son algunas industrias donde el control de nivel y flujo son esenciales:

- Industria petroquímica.
- Industria de fabricación de papel.
- Industria de tratamiento de agua.
- Sistemas de enfriamiento y calentamiento.

En la vida diaria estamos en contacto con sistemas de control de nivel y flujo. Por ejemplo,
nuestro cuerpo tiene sistemas que controlan el flujo de sangre alrededor del cuerpo. Otros
sistemas controlan la presión y los niveles químicos en nuestro cuerpo. Por otro lado, el baño de
nuestra casa o departamento es también un sistema de nivel de líquido. La palanca adjunta a la
válvula del tanque del WC, permite el paso de agua al tanque hasta que el flotador sube a un punto
que cierra la válvula. Éste es un simple y efectivo sistema de control de nivel para depósitos de
agua.

Los sistemas de control de nivel de líquido están en todos lados. Todos los procesos
industriales, el cuerpo humano y los sistemas que manejan fluidos dependen de sistemas de
control de nivel. Es esencial para ingenieros en sistemas de control entender cómo trabajan los
sistemas de control en los tanques y depósitos, y cómo es resuelto el problema del control de nivel.
En muchos de los procesos que implican líquidos contenidos en recipientes, tales como columnas
de destilación, evaporadores, cristalizadores o tanques de mezclado, el nivel partícular del líquido
en cada recipiente puede ser de importancia primordial para la operación del proceso. Por ejemplo,
cuando el nivel es demasiado alto puede modificar el equilibrio de la reacción, causar daño al
equipo o el derrame de material valioso. En caso de niveles demasiado bajos, éstos pueden tener
consecuencias igualmente dañinas. En combinación con éstas consideraciones básicas, existe
cierta tendencia en los procesos continuos hacia el logro de una capacidad de almacenamiento

Juan Francisco Márquez Rubio 1


menor. Esto reduce el costo del equipo, pero también acentúa la necesidad de un control preciso y
sensible del nivel de líquidos.

Por último, la medición y control efectivo del nivel de líquidos en las operaciones de los
procesos, generalmente pueden justificarse mediante razones concernientes a los aspectos
económicos y de seguridad. En el caso del operador, ésta variable proporciona información vital
acerca de:

• La cantidad de materia prima de que se dispone para el proceso.
• La capacidad de almacenamiento de que se dispone para los productos que se
elaboran.
• Lograr que la operación del proceso sea o no satisfactoria.

En este trabajo se propone una solución para el control de nivel de líquido. Se realiza el
control de un sistema de nivel de líquido por computadora. Es preciso mencionar que aunque
podríamos pensar en realizar un análisis en tiempo discreto para realizar un control por
computadora, en éste trabajo se considera que la dinámica del sistema de nivel propuesto es muy
lenta, el análisis del sistema y controlador se considera en tiempo continuo.

Se propone la construcción de un sistema de nivel de líquido, con la finalidad de aplicarle un
control por computadora. Las dimensiones del sistema son a escala, puesto que se pretende
utilizarlo únicamente como un sistema para experimentación y comprobación del control
desarrollado para el mismo.

Estructura de la tesis.

En el primer capítulo, se plantean los objetivos del trabajo y se presentan las características
principales de un sistema de nivel de líquido.

En el segundo capítulo, se presenta el estudio para la selección del elemento de medición que
se utiliza en el sistema de nivel de líquido a controlar.

En el tercer capítulo, se realiza un estudio y la elección de la tarjeta de adquisición de datos
necesaria para el control del sistema de nivel de líquido.



En el cuarto capítulo, se obtiene el modelo matemático del sistema de nivel de líquido y se
diseña el controlador Propocional Integral Derivativo (PID) a través del lugar geométrico de las
raíces.
Finalmente, en el capítulo 5 se presenta el programa diseñado para el control del sistema de
nivel de líquido y se presentan los últimos detalles para llevar a la práctica el control del sistema.



Capítulo 1
Marco de Referencia



1.1 Introducción.

En este trabajo se propone una solución para el control de nivel de líquido. Para empezar, en
éste capítulo se plantean los objetivos y justificación de éste proyecto, además se exponen las
características de un sistema de nivel de líquido.

1.2 Objetivos.

1.2.1 Objetivo General.

Diseñar un controlador Proporcional -Integral -Derivativo (PID) por el método del lugar
geométrico de las raíces para un sistema de nivel de líquido, y llevarlo a la práctica utilizando un
control por computadora.

1.2.2 Objetivos Particulares.

Construcción del sistema de nivel de líquido.
Selección del sensor adecuado para el sistema de nivel de líquido.
Selección de la tarjeta de adquisición de datos.
Presentación de una metodología para el diseño de un controlador PID, para un sistema de
nivel de líquido.
Diseñar los circuitos electrónicos que permitan el acondicionamiento adecuado de las
señales entre la tarjeta de adquisición de datos y el sistema.
Diseñar un programa computacional que permita realizar las operaciones de control al
sistema, así como mostrar al operador una interfaz gráfica que le permita observar e
interactuar con el estado de los parámetros que intervienen en el sistema de nivel de
líquido.

1.3 Justificación.

Gracias al desarrollo tecnológico se ha logrado construir computadoras veloces, compactas y
con memorias considerablemente grandes. Esto ha beneficiado directamente a los procesos
industriales, en los inicios del control por computadora una de las limitantes era la velocidad de
procesamiento de las señales de control. Este desarrollo tecnológico no solo se reduce a la
construcción y comercialización de computadoras más sofisticadas, el mejoramiento también se ve



reflejado en el diseño de nuevo software para programar los procesos industriales e interfaces
entre la computadora y el proceso industrial.

Actualmente los controladores PID se utilizan en forma analógica y digital. Este controlador se
utiliza en un 90-95% en aplicaciones industriales para resolver diferentes problemas de control [1].

Debido a la popularidad que actualmente tienen los controladores PID, se propone estudiar
una metodología para el diseño de un controlador PID a través del lugar geométrico de las raíces,
el cual se aplicará a un sistema de nivel de líquido empleando una computadora para su
implementación. El diseño del controlador es realizado considerando que el sistema es de tipo
continuo (debido a la lenta dinámica del sistema). En este trabajo se pretende demostrar el avance
que han adquirido las herramientas de ingeniería. Para el desarrollo de éste proyecto se utiliza el
software Labview 7.1 y la tarjeta de adquisición de datos USB-6009.

Algunas ventajas que se tienen con el uso de estas herramientas son:

El software permite desarrollar una interfaz gráfica entre el operador y el proceso.
La programación del software (Labview 7.1) es de alto nivel y por tanto la simplifica la
programación [2].
Con el uso de una tarjeta de adquisición de datos existente en el mercado, se evitan
problemas en el diseño de circuitos convertidores de señales analógico-digital y
digital-analógico, y así podemos concentrar nuestra atención completamente en el
problema de ingeniería de control.

1.4 Descripción general de un sistema de nivel de líquido.

Un sistema de nivel de líquido puede se muestra en la figura 1.1(a). En ésta figura podemos
ver que el sistema consiste en un tanque de agua, un flotador, una bomba de agua, y una válvula
que permite la salida del líquido del tanque. Para comprender el funcionamiento del sistema
podemos relacionar el diagrama esquemático de la figura 1.1(a) y el diagrama a bloques de la
figura 1.1(b). Podemos observar que ambos diagramas tienen los mismos componentes, con la
diferencia que en la figura 1.1(b) los elementos se ven en forma de bloques funcionales.

Como se observa en el diagrama a bloques de la figura 1.1(b), el controlador tiene 2 entradas
y una salida. La primera entrada es el nivel deseado en el tanque o también llamada punto de
operación o “setpoint”, ésta entrada no es visible en el diagrama esquemático, pero se puede



considerar que es un parámetro que se le indica internamente al controlador. La segunda entrada
al controlador es el “flotador” (elemento de medición primario) o comúnmente conocido como
sensor.

Figura 1.1 (a) Diagrama esquemático de un sistema de nivel de líquido (b) Diagrama a bloques de un sistema
de nivel de líquido.

Por último, podemos apreciar que la salida del controlador es enviada a la bomba de agua
que es el elemento final de control, ésta salida del controlador también es conocida como señal de
control.

El funcionamiento del controlador es el siguiente: primero realiza una diferencia entre sus dos
entradas (a ésta diferencia también se le conoce como “error del sistema”). Después, dependiendo
del error en el sistema, el controlador enviará una señal capaz de corregir el error existente, o por
lo menos tratará de disminuirlo. Por lo tanto, cuando el error del sistema sea nulo, la señal de
control será también cero. En las figuras 1.1(a) y 1.1(b), se puede observar que la señal de control
es enviada a la bomba de agua, ésta última es la encargada de abastecer de agua al tanque del



sistema. Entonces, la velocidad con que la bomba alimenta de agua al tanque, dependerá de la
magnitud de la señal de control.

El bloque denominado “tanque de agua” en un diagrama ordinario de control correspondería a
la planta o proceso a controlar, el tanque es el encargado de almacenar el líquido, la cantidad de
líquido almacenada dependerá de las condiciones que el operador del sistema proporcione.

El bloque “tanque de agua” tiene como entrada la señal de control para la bomba y como
salida tiene el nivel de líquido pero, como podemos observar se hace necesaria la medición del
nivel de líquido (variable de proceso controlada) por esto tenemos el bloque denominado “sensor”
en cascada con la planta o “tanque de agua”, la salida de éste bloque es a variación de la variable
de proceso controlada que es el nivel en el tanque.

El elemento de medición (o “flotador”) es el encargado de indicar el nivel actual de líquido en
el tanque, normalmente los sensores de nivel de líquido para éste tipo de sistemas constan de dos
partes muy importantes: la primera es el elemento primario de medición (por ejemplo un flotador )
el cual tiene la función de realizar la medición directa al líquido. Cuando la señal de salida de éste
elemento no es adecuada para las necesidades del sistema el sensor cuenta con una segunda
etapa denominada transductor. Esta etapa generalmente es un circuito electrónico y es el
encargado de transformar la señal de salida del elemento primario en una señal adecuada para el
usuario (en el ejemplo del flotador, el transductor sería el encargado de trasformar la energía
mecánica en eléctrica para tener una señal eléctrica como medición de nivel de líquido)

La variable de proceso en un sistema de control es el parámetro que se desea controlar. Para
el sistema de nivel de líquido la variable de proceso es la señal que envía el elemento de medición,
ya que ésta indica el nivel actual en el tanque y es el parámetro que deseamos controlar.

La válvula de salida de agua inicialmente participa como parte de la dinámica del sistema.
Pero, para experimentos de control ésta válvula también funciona como una perturbación al
sistema. Debido a esto, en el diagrama a bloques la participación de la válvula solo aparece como
perturbación al sistema con líneas punteadas. En el capítulo 5, esto quedará más claro cuando se
realizan los experimentos de control.

Una vez que se describió el funcionamiento individual de cada elemento del sistema,
procederemos a exponer el funcionamiento del sistema completo. Considere el sistema de nivel de
líquido de la figura 1.1(a). Tenemos que la válvula de salida del tanque está abierta al 25% de su



capacidad, al controlador se le indica un nivel deseado a máxima capacidad del tanque, y el tanque
de agua está vacío. Con estas condiciones, el controlador buscará corregir el error del sistema. La
solución para corregir tal error es que el nivel del tanque ascienda, con esto, la diferencia entre las
señales de entrada al controlador disminuiría, es decir, el error del sistema disminuye. Pero
entonces ¿Qué se debe hacer para que el nivel de líquido ascienda?. Para el caso del sistema de
nivel de líquido, la señal de control es una señal de voltaje que permite poner en funcionamiento la
bomba de agua para abastecer el tanque y conseguir que el nivel de líquido ascienda. Debemos
aclarar que a medida que el nivel de líquido asciende, el error disminuye, produciendo una señal
de control con una magnitud de voltaje mas pequeña que la inicial, es decir, la bomba no siempre
estará trabajando a su máximo voltaje, ya que esto dependerá del error existente en el sistema.

El sistema de nivel de líquido que se describió es de tipo general y explica el funcionamiento
de un sistema de nivel de líquido. Ahora es necesario realizar algunas aclaraciones para relacionar
éste sistema con el sistema de nivel de líquido que llevaremos a la práctica.

Uno de los objetivos de éste trabajo es realizar el control por computadora del sistema de
nivel de líquido. Por lo tanto, debemos especificar que el bloque funcional “controlador” de la figura
1.1(b) en el proyecto que se desarrolla corresponde a una computadora, esto implica que la
computadora tiene que recibir y enviar señales. Para que esto sea posible se utiliza una tarjeta de
adquisición de datos, la cual tiene ciertas restricciones para el procesamiento de las señales, estas
limitantes serán analizadas y tratadas en los capítulos posteriores para proponer una solución al
problema de control de nivel.

Para iniciar el desarrollo del proyecto y estudiar detalladamente los componentes del sistema
de nivel de líquido, en el capítulo 2 se muestra la selección del elemento de medición del sistema y
la construcción del sistema de nivel de líquido que se controlará por computadora.



Capítulo 2
Selección del elemento
de medición



2.1 Introducción.

En este capítulo se realiza la selección del elemento de medición o sensor adecuado para el
sistema de nivel de líquido que deseamos controlar por computadora. Además se presentan los
tipos de sensores que podemos encontrar en el mercado y las consideraciones que deben ser
tomadas en cuenta para la selección de un sensor en un sistema de nivel de líquido. Una vez
realizada la selección del sensor adecuado para el sistema, se describe la instalación del sensor
en el sistema y se describen los detalles sobre la construcción del sistema de nivel de líquido.

2.2 Sensores de Nivel de Líquido.

Con cierta frecuencia, es necesario medir el nivel de material sólido en cierto tipo de procesos.
Entre estos se encuentran por ejemplo: nivel de "Chips" de madera en fábricas de papel, tanques
de materia prima sólida para la dosificación, tanques de almacenamiento de jabón, tanques de
almacenamiento de cal, silos, etc. Para este tipo de mediciones es necesario realizar una
cuidadosa elección del elemento de medición ya que se debe revisar que elemento de medición
cuente con las características apropiadas para la medición. En cuanto a nivel de líquido los
sensores más utilizados en la industria son los siguientes [3]:

I. Tipo resistencia y/o Conductancia: Se puede usar una sola resistencia o una serie
de varillas de resistencia en líquidos conductores para dar una medición continua del
nivel. Conforme se eleva el líquido en la varilla, se registra un cambio correspondiente
en la varilla. En este sistema la varilla debe estar en contacto con el líquido, cualquier
cambio en la conductividad del material afectará la medición. Este tipo de sensor se
muestra en la figura 2.1(a)

II. Tipo capacitancia Son utilizados para la medición continua de niveles. Los
detectores de capacitancia utilizan unidades cubiertas con vidrio o plástico y se
puede emplear para detectar valores altos, bajos e intermedios de nivel. Pueden
ser utilizados tanto en líquidos conductores como no conductores. Su principio de
funcionamiento es a través de las variaciones de capacitancia detectadas por un
oscilador y los circuitos electrónicos. El cambio de capacitancia origina un cambio
en la frecuencia del oscilador para producir una señal a través de los circuitos
electrónicos que indican el estado de nivel. Este tipo de sensor se muestra en la
figura 2.1(b).



III. Tipo flotante. Un flotador en el interior del tanque se enlaza magnéticamente o por
medio de un mecanismo sellado en la pared con un elemento externo de transducción.
Este tipo de sensor se muestra en la figura 2.1(c)

IV. Tipo Inductivo. Se aplican en la medición de metales líquidos y otros líquidos
conductores. Constan de una bobina cuyo núcleo se conforma por un tubo vertical
conteniendo el líquido. La impedancia de la bobina cambia rápidamente cuando el
líquido sube y baja por el tubo.

V. Fotoeléctricos. Operan en modo de transmitancia o de reflexión. El modo de
transmitancia consta de una fuente luminosa y un sistema fotodetector que responde a
la interrupción o atenuación de la luz por parte del líquido. En el modo de reflexión, un
prisma óptico montado en la parte interna y con una de sus caras haciendo las veces
de pared del tanque, cambia su reflectancia cuando es alcanzado por el líquido. La
fuente luminosa y el elemento fotodetector se ubican en la parte externa del tanque.

VI. De presión. Un transductor de presión se monta en el fondo del tanque. La presión
sensada es directamente proporcional a la altura medida.

VII. Sensores ultrasónicos. Las oscilaciones de algunos elementos a frecuencias
ultrasónicas tienen mayor amplitud en gas que en líquido, al humedecerse el sensor la
amplitud de la oscilación disminuye. Para sensar el nivel de líquido en forma continua
se puede medir el tiempo que transcurre entre la transmisión y recepción de pulsos
ultrasónicos que rebotan en la superficie del líquido. Este tipo de sensor se muestra en
la figura 2.1(d)

VIII. Elemento vibrante. Las oscilaciones de un remo se atenúan al quedar inmerso en el
líquido, la atenuación de las oscilaciones indican que el líquido ha alcanzado el nivel.
Este tipo de sensor se muestra en la figura 2.1(e)



(a) (b) (c)

(d) (e)

Figura 2.1 (a) Sensor de nivel de tipo conductancia con electrodos de alambre. (b) Sensor de nivel de tipo
capacitancia. (c) Sensor de nivel de tipo flotante. (d) Sensor de nivel de tipo ultrasónico. (e) Sensor de
nivel de tipo elemento vibrante.

2.3 Consideraciones para la selección del elemento de medición.

Los instrumentos para la medición de nivel varían en complejidad de acuerdo con la aplicación
y la dificultad del sistema.

Cuando deseamos medir el nivel de líquido de un tanque se debe tener en cuenta algunos
parámetros para la selección del elemento de medición. A continuación se presentan las
principales consideraciones que deberán tomarse en cuenta para la selección del elemento de
medición para un sistema de nivel de líquido.

A. Alcance del sensor. Nos referimos a la distancia que el medidor nos puede brindar una
medición confiable, y dependiendo de la aplicación verificar si el sensor tiene la opción de
aumentar está capacidad.



B. Rango de medición. Es el rango de voltaje y/o corriente que entrega el sensor en su
capacidad de medir el nivel de líquido.

C. Naturaleza del fluido que va a ser medido. Es preciso mencionar que en la industria no
únicamente se mide nivel de agua, ya que también es necesario medir nivel de aceite,
cloro, soluciones acuosas, químicos, etc, e incluso podría tratarse de una bebida que será
de consumo humano. Por lo tanto, para la selección de elemento de medición es
importante saber el material que se medirá en el tanque.

D. Condiciones de operación. Son las temperaturas, presiones y condiciones ambientales a
las que estará expuesto el sensor.

E. Precisión del sensor. Este parámetro es importante cuando la variable a medir se tiene
que hacer con gran exactitud, para la mayoría de los sistemas esto puede ser
despreciable, ya que los sensores en el mercado ofrecen precisiones adecuadas para los
sistemas industriales.

A continuación se mencionan algunas características particulares de los sensores estudiados
en la sección anterior, para ser utilizados en diferentes procesos industriales.

Los medidores de tipo electrodos no se pueden utilizar cuando existe un vapor explosivo.
Además, en el caso de mediciones continuas, se requiere un gran número de electrodos y que
éstos no sean afectados por la corrosión. Una de las ventajas de estos sistemas es que la señal se
puede transmitir a cualquier lugar.

Ahora bien los medidores de tipo conductivo se pueden usar en lugares donde se
encuentren vapores explosivos.

Los medidores de tipo capacitancia son utilizados para la medición continua de nivel.
Estos medidores se pueden utilizar para la medición de materiales alcalinos, ácidos,
compuestos químicos, alimentos, combustibles, granos, sólidos granulados, fluidos
hidráulicos, aceites, peróxidos, polvos, lechadas, vapor y agua.

También tienen aplicaciones en ambientes que tengan temperaturas que van desde -273
°C a 427 °C y a presiones de hasta 6 000 lb/plg².



El tipo de medidor sónico tiene un intervalo relativamente grande, tiene una precisión alta de
0.01 plg/pie de distancia del transductor a la superficie del líquido, generalmente se usa en pozos
profundos o en recipientes de almacenamientos grandes. Puede emplearse con sistemas de
control y de registro electrónico [4].

El punto de operación del medidor ultrasónico es sin límite, o sea, puede usarse donde se
requiera, puede tener una serie de sondas para mediciones múltiples. Opera de manera
independiente a las variaciones de la densidad, constantes dieléctrica, temperatura, presión o
conductividad. No es afectado por la espuma, o gotas de líquido [4].

2.4 Selección del elemento de medición.

En las secciones anteriores se mencionaron tipos de sensores y las consideraciones que
debemos tomar en cuenta para un sistema de nivel de líquido. A partir de esto, procedemos a
seleccionar un sensor para el sistema de nivel de líquido con el que trabajamos en éste proyecto.
En la selección del sensor para sistema de nivel de líquido, tomaremos en cuenta las
consideraciones especificadas en la sección anterior.

a. Alcance del sensor. Aunque todavía no se ha mencionado las especificaciones del
sistema de nivel de líquido, en éste momento es suficiente mencionar que el tanque donde
se realizará la medición del nivel tiene una altura de 40 cm. Por lo tanto, no se requiere un
sensor con un alcance amplio.

b. Rango de medición. Se propone utilizar un rango de medición de 0 a 5 volts.

c. Naturaleza del fluido que va a ser medido. Es un sistema demostrativo donde
únicamente utilizaremos agua para los experimentos de control.

d. Condiciones de operación. La temperatura a la que se trabajara es a temperatura
ambiente, es decir a 25° C aproximadamente. Es un tanque abierto y no estará expuesto a
altas presiones ni a temperaturas altas.

e. Precisión del sensor. Se requiere un sensor que permita la medición continua del nivel
de líquido, y se propone una exactitud de ± 2mm.



Debido a que las exigencias solicitadas para éste sistema de nivel de líquido no son muy
rígidas, se propone utilizar un sensor del tipo resistencia, a continuación se exponen las razones
de la elección del sensor.

1. No requerimos de un sensor que tenga la capacidad de medir a 5 o 6 metros, ya que se
trata de un espacio muy pequeño a sensar. Son tan solo 40 cm. Y sería innecesario utilizar
un sensor de tipo ultrasónico o del tipo elemento vibrante, ya que con el tipo de sensor que
se utiliza se cubre la necesidad de medición.

2. El rango de medición que utilizamos es de 0 - 5 volts. Debemos mencionar que cuando el
fabricante no proporciona un sensor que cubra con el rango de voltaje y/o corriente que se
requiere, es necesario diseñar un circuito de instrumentación que proporcione el rango
deseado. Para este caso es necesario diseñar un circuito de instrumentación que
proporcione el rango de voltaje que requerimos (en la siguiente sección se especifican las
características del circuito utilizado para el sensor).

3. La precisión del sensor seleccionado cumple con la exactitud propuesta, ya que la certeza
de la medición esta a cargo de un potenciómetro de precisión, al número y tamaño de
dientes de acoplamiento entre la varilla y el potenciómetro del sensor. Cabe mencionar que
los potenciómetros de precisión brindan una exactitud mayor a las resistencias variables
que comúnmente utilizamos.

4. Independientemente que los requerimientos del sensor no fueron muy estrictos, otro factor
importante para la elección de este sensor fue el aspecto económico. Ya que inicialmente
se pretendía utilizar un sensor del tipo ultrasónico, pero el precio es 4 o 5 veces mayor que
el sensor tipo resistencia.

5. El sensor utilizado en el proyecto es un sensor diseñado y construido en el laboratorio de
control, y no fue adquirido en ninguna tienda de instrumentación.

2.5 Características del elemento de medición del sistema de nivel de líquido.

El tipo de sensor que se utiliza para éste proyecto es una variante del tipo resistencia. Las
partes que componen al elemento de medición pueden ser clasificadas como muestra la figura 2.2.

La parte mecánica del elemento de medición consta de una resistencia variable, la cuál tiene
acoplado un engrane que al girarlo permite la variación de resistencia (ver figura 2.3). Éste engrane



a su vez es acoplado a una varilla que tiene un número suficiente de muescas que permiten un
deslizamiento y un acoplamiento exacto entre el potenciómetro y la varilla. Por otro lado, la varilla
cuenta con un flotador en el extremo inferior que cambia de posición dependiendo del nivel de
líquido. Por consiguiente, la varilla se desliza sobre el engrane del potenciómetro produciendo un
cambio de resistencia. Entonces, la ubicación del flotador en el tanque indica una posición en el
potenciómetro, que automáticamente se traduce en un valor de resistencia. De ésta manera se
puede realizar una medición continua del nivel de líquido en el tanque.

La figura 2.3 muestra el mecanismo del sensor que se utiliza para el proyecto. La figura 2.3(b)
es un acercamiento a la base del sensor, aquí se pueden apreciar las guías instaladas para la
varilla del sensor, estas guías permiten que la varilla únicamente se desplace de manera vertical.
De ésta manera, el acoplamiento entre la varilla y el engrane del potenciómetro no es afectado, y
así se evitan errores en la medición del nivel de líquido.

Base metálica para instalación del sensor.
Resistencia variable. (Potenciometro de
precisión)
a) Parte mecánica. Engrane.
Varilla con flotador.
Guías para deslizamiento de varilla.
Elemento de medición

Resistencia variable. (Potenciometro de
precisión)

b) Parte electrónica Amplificador operacional.
Etapa
amplificadora. Resistencias de precisión.

Figura 2.2. Clasificación de las partes que componen al elemento de medición.

Otro aspecto importante para el correcto funcionamiento del sensor es la lubricación de la
varilla, las guías, el engrane y por supuesto el potenciómetro. En la figura 2.3(c) se observa la
vista lateral de la base del sensor, en la parte inferior izquierda de la figura, es posible apreciar el
potenciómetro de precisión utilizado y el acoplamiento entre la varilla y el engrane.



Independientemente que el tamaño del flotador para el elemento de medición debe ser de
tamaño regular, debido a las características de la planta. Es importante mencionar que el flotador
utilizado para éste medidor, tiene un peso suficiente para ejercer la fuerza necesaria que permita la
variación del potenciómetro cuando el nivel de líquido descienda. De manera similar, el flotador
tiene la fuerza de flotación necesaria para hacer variar el potenciómetro cuando el nivel de líquido
asciende.

Ya se describió el principio de funcionamiento del sensor y los elementos que lo componen
mecánicamente, pero no hemos hablado de la parte electrónica del circuito y del tipo de señal
eléctrica que utilizaremos para el control del sistema.

(a) (b) (c)

Figura 2.3. (a) Sensor utilizado para medir el nivel de líquido en el tanque del sistema. (b) Base del sensor de
nivel. (c) Vista lateral de la base del sensor de nivel.

Se propone utilizar una señal de voltaje de 0 a 5 volts, 0 volts cuando el nivel de líquido sea
mínimo y 5 volts cuando el tanque tenga su máxima capacidad.

El potenciómetro de precisión que utilizamos como sensor tiene un valor de 10 KΩ y tiene la
particularidad de girar 10 vueltas. Por lo tanto, un giro del potenciómetro equivale a 1KΩ. Para la



medición de nivel del tanque del sistema no es necesario variar el potenciómetro 10 vueltas,
solamente se utilizan dos vueltas y media, esto es por que la altura del tanque es tan solo de 40
cm.
Como se mencionó, habrá sensores que no entregarán la señal eléctrica que se requiere y
cuando esto ocurre es necesario diseñar un circuito de instrumentación que nos permita
acondicionar la señal que entrega el sensor. En éste caso se requiere una señal de 0 a 5 volts
dependiendo del nivel de líquido. La figura 2.4 muestra el circuito de instrumentación propuesto
para el acondicionamiento de la señal del sensor.

Figura 2.4. Diagrama eléctrico del elemento de medición de nivel de líquido.

En el diagrama de la figura 2.2, se observa que la resistencia variable aparece clasificado en
la parte mecánica y electrónica del elemento de medición, puesto que el potenciómetro tendrá una
variación de resistencia (parte electrónica), debido a un desplazamiento mecánico (parte
mecánica).

Como podemos ver en la figura 2.4, la variación de resistencia en el potenciómetro de
precisión se encuentra entre 2.5 KΩ Y 5 KΩ, ésta es la razón por la que propone un circuito de
acondicionamiento. En el circuito se utiliza un amplificador operacional en la configuración de
restador. Note que ésta configuración además de realizar la diferencia entre la señal del
potenciómetro y la fuente de +1V, proporciona una ganancia de 5 debido a las resistencias R y Rf.

Para comprobar el funcionamiento del circuito podemos suponer que el nivel del sistema esta
a nivel máximo del tanque, por lo tanto la señal que envía el potenciómetro al circuito es de 2 volts,
si a ésta señal se resta la señal de +1V y además se amplifica 5 veces, el voltaje del sensor Vs en
el circuito tiene un valor de 5 volts, que es el voltaje requerido cuando el nivel del tanque es
máximo. De manera similar, supongamos que el nivel en el tanque es mínimo, por lo tanto el
potenciómetro entrega +1V al circuito. Si se le resta la señal de +1volt, la salida Vs será de 0 volts.



También se podría calcular la salida Vs para los valores intermedios de nivel de líquido en el
tanque, y se comprobaría que el circuito entrega una señal continua del nivel de líquido.

2.6 Construcción del sistema de nivel de líquido.

Una vez que se eligió el sensor adecuado para el sistema de nivel de líquido, se procede a
instalarlo en el tanque apropiado para la medición de nivel de líquido. En ésta sección además de
describir la instalación del sensor a la planta, se describe con detalle la construcción de sistema de
nivel de líquido.

Las dimensiones elegidas para los elementos del sistema de nivel de líquido son de tamaño
regular, debido a que se trata de un proyecto para experimentación. Para la construcción del
sistema de nivel de líquido, se propone una estructura metálica para instalar dos contenedores de
agua. El tanque 1 instalado en la parte superior de la estructura, es el tanque donde se medirá el
nivel de líquido, y el tanque 2 ubicado en la parte inferior de la estructura es el tanque que
almacena el agua para abastecer al tanque 1 con la bomba de agua (Ver figura 2.6).

Las medidas de los tanques son:

Tanque 1: 40 cm. de altura x 20 cm ancho. x 30cm. de largo.
Tanque 2: 30 cm. de altura x 20 cm ancho. x 30cm. de largo.

El sistema requiere de alimentación de agua del segundo al primer tanque y esto se realiza a
través de una bomba de agua. La bomba es un motor de cd, marca shurflo , su rango de trabajo es
de 4 -12 V CD, un máximo de corriente de 3A, su capacidad de transportar líquido es 1 galón por
minuto (gpm) a su máximo voltaje permitido (12 Volts). La bomba tiene un papel importante dentro
del control del nivel de líquido ya que la acción de control se ve reflejada directamente en el
comportamiento del motor. Se eligió un motor de cd debido a que la planta es de tamaño regular y
el bombeo de agua que proporciona la bomba es suficiente para realizar los experimentos de
control. La bomba utilizada se muestra en la figura 2.5.

Para el sistema de nivel de líquido se propone transportar el líquido en una tubería, la
instalación de la tubería es mostrada en la figura 2.6, que es un diagrama físico del sistema. La
tubería utilizada para el transporte del líquido es de cobre. La razón por la que se elige esté
material es por que tiene mayor resistencia al deterioro y no genera residuos que puedan
contaminar el líquido. El diámetro de la tubería utilizada es de ½ pulgada y es de tipo flexible, el
diámetro del tubo es igual a la medida de salida de agua que tiene la bomba.



(a) (b)
Figura 2-5. (a) Bomba de agua instalada en el sistema de nivel de líquido. (b) Vista superior de la bomba de
agua.

La unión de la tubería se realizó con codos de cobre y soldadora de estaño, el acoplamiento
de la tubería con la bomba de agua se realizó a través de abrazaderas y sellando las conexiones
con silicón para evitar fugas.

Figura 2.6. Diagrama físico del sistema de nivel de líquido.



En el diagrama de la figura 2.6, la tubería azul corresponde a la alimentación de agua para el
tanque 1, y la tubería de color verde corresponde a la salida de agua del tanque 1. Ésta tubería
conduce el agua al tanque 2 de manera que no se desperdicie el agua. También podemos
observar que hay una válvula que forma parte del sistema, pero además de permitir la salida de
agua del tanque 1, también actuará como una perturbación al sistema cuando se realicen
experimentos de control.

En el tanque 1 se medirá el nivel de líquido, por lo tanto, el sensor de nivel de líquido es
instalado en la parte superior del tanque 1. Como ya se vio en la figura 2.3, el elemento de
medición cuenta con una base metálica para ser instalado. La figura 2.7 muestra la instalación del
sensor en tanque 1.

Fig. 2.7. Sistema de nivel de líquido.

La figura 2.7 es una fotografía de sistema de nivel de líquido que utiliza para llevar a la
práctica el control por computadora.

En éste capítulo se presentó la información necesaria para la selección del sensor y
posteriormente se presentó la construcción del sistema. Podemos afirmar que en lo que respecta a
la planta o al sistema de nivel de líquido ya esta listo para ponerlo en funcionamiento, pero aún no
hemos hablado nada sobre el control para el sistema. A partir del siguiente capítulo se abordarán
temas sobre la aplicación de control a este sistema de nivel de líquido.



Capítulo 3
Selección de la tarjeta de
adquisición de datos



3.1 Introducción

En el capítulo anterior se hizo énfasis en la selección del sensor adecuado para la planta,
también se habló de la construcción del sistema de nivel de líquido, pero aún no se ha mencionado
nada relacionado con el sistema de adquisición de datos.

En éste capítulo se habla de una de las herramientas más importantes que se debe tener para
aplicar control por computadora. Se realizará la selección de la tarjeta de adquisición de datos.

La tarjeta de adquisición de datos es un elemento indispensable para los sistemas que tienen
control por computadora. La importancia de tener una tarjeta de adquisición de datos radica en la
necesidad de tener un elemento que obtenga las señales para ser introducidas a la computadora
para que sean procesadas.

En este capítulo se presentan las consideraciones que deben tomarse para adquirir una
tarjeta de adquisición de datos. Posteriormente se realiza la selección de la tarjeta de adquisición
de datos y finalmente se presentan las características de la tarjeta de adquisición de datos utilizada
para éste proyecto.

3.2 Consideraciones para la selección del hardware.

Las consideraciones que deben tomarse en cuenta para la selección del hardware tienen que
ver directamente con el proceso o aplicación que tiene la adquisición de datos. A continuación se
mencionan dos consideraciones generales que son propuestas y además particulares para el
sistema de nivel de líquido.

Para el caso del sistema de nivel de líquido se requieren 2 entradas y una salida
analógicas.
Que se conecte a cualquier computadora.

Una vez que ya se tienen las consideraciones generales, debemos mencionar que al elegir
una tarjeta de adquisición de datos, los fabricantes no solo caracterizan sus productos con el
número de entradas y tipo de conexión a la computadora. Existen aspectos técnicos y además muy
importantes que deben ser tomados en cuenta para la elección de una tarjeta de éste tipo.



A continuación se exponen los aspectos técnicos más importantes que deben ser tomados en
cuenta para la selección de una tarjeta de adquisición de datos.

1. La velocidad de muestreo. Las tarjetas tienen diferentes velocidades para adquirir
información. Esta consideración depende directamente de la aplicación que va a tener la
tarjeta de adquisición de datos, ya que si la señal que va a ser introducida a la
computadora tiene cambios en un tiempo muy pequeño, se debe elegir una tarjeta de
adquisición de datos que tenga velocidad suficiente para que esa señal pueda ser
monitoreada y esos cambios puedan ser percibidos por la computadora. De acuerdo al
teorema de Nyquist, la frecuencia mínima de muestreo debe ser por lo menos el doble de
la frecuencia máxima de la señal analizada [5].

Las tarjetas de adquisición de datos comerciales se fabrican para rangos que van desde
las 60 muestras en un segundo (60 S/s) hasta las 2.3X109 muestras por segundo (2.3
GS/s). Cabe mencionar que mientras mayor sea la velocidad de muestreo, mayor será el
costo del hardware.

En el caso del sistema de nivel de líquido, la dinámica de la variable de interés (el nivel de
líquido) es muy lenta, en relación con las velocidades que actualmente manejan las tarjetas
de adquisición de datos. Para dar un ejemplo de la dinámica del sistema podemos
mencionar que el tiempo que tarda el tanque en llenarse es de 10 a 15 minutos. Entonces,
podríamos afirmar que la variación de nivel de líquido se hace considerable cada 3 o 4
segundos aproximadamente. Por lo anterior no es necesario elegir una tarjeta con alta
velocidad para el control del sistema de nivel de líquido.

2. El número de entradas. La tarjeta debe tener por lo menos 2 entradas analógicas (una
para referencia externa del sistema, y la otra para el sensor de nivel de líquido), y una
salida analógica (para la señal de control).

3. La resolución. La señal analógica que se envía a la computadora es recibida en forma
digital, es decir, la señal analógica será representada numéricamente, la calidad de esta
representación depende directamente de la resolución de la tarjeta de adquisición de
datos. Por ejemplo, con 8 bits de resolución se tienen 28=256 valores para representar la
magnitud de una medición. Al representar con estos 256 valores una señal que puede
tomar cualquier valor del rango de 0 V a 5V, a cada uno de los 256 valores corresponderá
una fracción del rango de la señal y podrían notarse diferencias de 19mV (Ecuación 3-1).



5 volts
= 19 mV/cada valor de representacion (3-1)
256 valores de representacion

Las tarjetas disponibles en el mercado se fabrican con resoluciones de 8, 12, 16 y 24 bits.
La Tabla 3-1 muestra el número de valores con que se representan el rango de las
mediciones en cada una de ellas.

Tabla 3-1. Número de Valores con que se Representa el Rango de Medición
Utilizando Tarjetas de Diferentes Resoluciones.
Bits de resolución. Número de posibles valores.
8 28=256.
12 212=4096.
16 216=65536.
24 224=16777216.

Analizando el aspecto de la resolución para el sistema de nivel de líquido podríamos
considerar que una tarjeta de adquisición de datos que tenga una resolución de 8 bits sería
suficiente para nuestro sistema, ya que 19mV de diferencia en una señal no representaría
graves errores en el sistema de nivel de líquido. Obviamente si se quiere disminuir el error
de la medición, la resolución de la tarjeta de adquisición de datos debe aumentar.

4. El rango. El parámetro denominado “rango” en las tarjetas de adquisición de datos se
refiere al mínimo y máximo valor de voltaje y/o corriente que se permite introducir a la
tarjeta de adquisición de datos.

5. El puerto de conexión. Los buses más populares mediante los cuales se puede llevar a
cabo la adquisición de datos son el PCI, PXI, PCMCIA, PXI, USB, FireWire y Ethernet.

La desventaja principal del bus PCI es que se trata de un bus interno, disponible solamente
en computadoras de escritorio, por lo que para la adición de tarjetas se requiere abrir la
computadora y el sistema no es fácilmente escalable.

El bus PXI es una opción robusta que se diseñó especialmente para aplicaciones
industriales de medición y automatización. Los sistemas de PXI ofrecen una arquitectura



modular que brindan la habilidad de expandir el sistema más allá de las capacidades de
una computadora de escritorio con un sistema PCI. La desventaja es el costo de los
sistemas y el hecho de que al igual que los sistemas PCI sólo se puede conectar a
computadoras de escritorio.

Las tarjetas PCMCIA son aplicables para una amplia variedad de funciones como son la
adición de memoria, módems e incluso la adquisición de datos. Su tamaño y peso las
hacen perfectas para aplicaciones portátiles que utilizan laptops. Su aplicación es simple,
ya que sólo deben ser insertadas a la computadora y el sistema en ese momento puede
estar encendido.

El Bus Serie Universal (USB) fue diseñado originalmente para conectar dispositivos
periféricos como teclados y mouses. Sin embargo, se ha convertido también en un medio
económico y fácil de usar para conectar dispositivos de adquisición de datos y
computadoras en aplicaciones de medición y automatización.

FireWire es conocido también como IEEE 1394 ó i.Link, al igual que el USB pueden
conectarse con el sistema encendido y tienen detección automática del dispositivo. La
transferencia de información utilizando la versión más reciente (el IEEE 1394b) puede ser
realizada a velocidades que sobrepasan incluso a las manejadas por el PCI.

Tanto el USB como el FireWire son buses externos que simplifican la conexión y
configuración de dispositivos. A medida que sus velocidades se han incrementado, su
aplicación y presencia ha tenido más auge y han sido más atractivos para aplicaciones de
mediciones y automatización.

Si bien el bus Ethernet es usado principalmente para conectar redes de computadoras en
casas y oficinas, también puede ofrecer excelentes beneficios en la conexión de
instrumentos de adquisición de datos. Su popularidad como bus de red disminuyó sus
costos, haciéndolo muy atractivo en aplicaciones de mediciones industriales y
automatización. Debido a que Ethernet es el medio típico de comunicación en redes, los
dispositivos conectados por esta vía pueden tener acceso desde cualquier computadora
autorizada en la red. Algunos dispositivos que trabajan mediante Ethernet no operarán
correctamente en ambientes industriales adversos y serán más susceptibles al ruido que
los que basan su operación en otros tipos de bus.



3.3 Selección Del Hardware Adecuado.

Considerando los aspectos técnicos de la sección anterior, se propone utilizar la tarjeta de
adquisición de datos NI-USB-6009, la cual es mostrada en la figura 3.1.

Figura 3.1. Tarjeta de adquisición de datos NI USB -6009.

La tarjeta NI USB 6009 se conecta por medio del puerto USB, esto le da la capacidad para
trabajar con una computadora de escritorio o bien con una computadora portátil. Tiene 8 entradas
referidas a tierra llamadas “single ended”. De estas ocho se puede hacer un arreglo para utilizarlas
como cuatro en forma diferencial. Utilizar una entrada en forma diferencial técnicamente es muy
bondadoso. Las entradas analógicas tienen una resolución de trece bits, un rango de muestreo de
48kS/s y un rango de entrada de 0 a 5 Volts.

La tarjeta NI-USB-6009 es un sistema de entrada y salida para adquisición de datos y control.
Es una tarjeta que no es recomendable usar industrialmente. Ésta tarjeta está diseñada para
realizar experimentos y proyectos sencillos que no implique riesgos como los que implicaría un
proyecto a nivel industrial, esta es una razón por la que los rangos de corriente y voltaje que
maneja son bajos.

Independientemente de que no es una tarjeta de adquisición de datos que pueda ser utilizada
industrialmente, la tarjeta NI-USB-6009 satisface las necesidades para el control del sistema de
nivel de líquido. No requerimos una velocidad muy grande y la tarjeta de adquisición de datos



maneja una 48KS/s en entrada analógica y frecuencia de muestreo de 150 Hz en salida analógica,
son velocidades muy aceptables para el control del sistema. Además tiene una resolución de 13
bits, lo cual representa una buena resolución para la variable del proceso. Cuenta con un número
de entradas y salidas suficientes y es una tarjeta cuyo puerto de conexión es USB, es decir, es
fácil de conectar en cualquier computadora (en la actualidad la mayoría de las computadoras ya
cuentan con un puerto USB).

La tarjeta NI-USB-6009 es una excelente herramienta para entrenamiento del software
Labview 7.1, este software no solamente está diseñado para esta tarjeta de adquisición ya que el
fabricante ofrece otra línea de tarjetas de adquisición de datos que poseen características para
trabajar en el área industrial. Obviamente hay una diferencia grande en costo entre ese tipo de
tarjetas y la NI-USB-6009.

3.4 Descripción del hardware seleccionado.

La NI USB-6008/6009 proporciona una conexión para ocho canales de entrada analógica (AI),
dos canales con salidas analógicas (AO), 12 canales con entradas/salidas digitales (DIO), y un
contador de 32-bit cuando la interfase USB es utilizada a la máxima velocidad.

En la tabla 3-2 se muestra una comparación entre las tarjetas de adquisición de datos NI-
USB-6008 y la NI-USB-6009.

Tabla 3-2 Diferencias entre USB-6008 Y USB-6009
Característica USB-6008 USB-6009
(AI) Resolución 12 bits diferenciales 14 bits diferenciales
11 bits Simple 13 bits simple
Muestreo máximo (AI)* 10kS/s 48kS/s
Configuración DIO Open drain Open drain o Push pull
*Depende del sistema

A continuación se muestran las especificaciones analógicas de entrada y salida de la tarjeta NI-
USB-6009, que son las terminales que se utilizarán para el control del sistema de nivel de líquido.



Entrada Analógica

Tipo de convertidor.............................................. Aproximaciones sucesivas
Entradas Analógicas .......................................... 8 simples/4 diferenciales,
Software Seleccionable (Recomendable Labview)

Resolución de entrada
USB-6008 ........................................................... 12 bits diferencial,
11 bits simple
USB-6009 ............................................................14 bits diferencial,
13 bits simple
Máximo muestreo
USB-6008 ..........................................................10 kS/s
USB-6009 ........................................................... 48 kS/s
AI FIFO................................................................ 512 bytes
Resolution de cronómetro ................................... 41.67 ns (24 MHz timebase)
Exactitud de cronómetro..................................... .100 ppm de proporción de la muestra real

Rango de entrada
Simple ..................................................................±10 V
Diferencial............................................................ . ±20 V , ±10 V ±5 V, ±4 V,±2.5 V, ±2 V, ±1.25 V,
±1 V
Voltage de trabajo................................................. ± 10V
Impedancia de entrada.......................................... 144 k
Protección de sobrevoltaje ........................... ……..±35
Fuente Trigger .......................................................Software o externo digital trigger
Ruido del sistema ...................................................0.3 LSB rms (±10 V range)

La exactitud absoluta a escala completa simple, se muestra en la Tabla 3-3 y la exactitud
absoluta a escala completa, diferencial, se muestra en la Tabla 3-4.

Tabla 3-3.Exactitud absoluta a escala completa (simple).
Rango Típico a 25º C Máximo a causa de
(mV) temperatura
(mV)
± 10 14.7 138



Tabla 3-4. Exactitud absoluta a escala completa (diferencial).
Rango Típico a 25º C Máximo a causa de
(mV) temperatura
(mV)
± 20 14.7 138
± 10 7.73 84.8
±5 4.28 58.4
±4 3.59 53.1
±2.5 2.56 45.1
±2 2.21 42.5
± 1.25 1.70 38.9
±1 1.53 37.5

Tabla 3-5. Características de salida analógica de la NI-USB-6009.
Tipo de convertidor Aproximaciones sucesivas
Salidas analógicas 2
Resolución de salida 12 bits
Máxima actualización de muestra 150 Hz, software-cronómetro
Rango de salida 0 a +5 V
Impedancia de salida 50Ω
Manejo de corriente de salida 5 mA
Estado Power-on 0V
Corriente a corto circuito 50 mA
Exactitud absoluta (sin carga) 7 mV típico, 36.4 mV máximo a escala completa

En las secciones anteriores hablamos de la resolución de una tarjeta de adquisición de datos,
y se explicó de una manera simple que la resolución tiene una relación con una conversión de la
señal analógica a una representación numérica. En las especificaciones de la NI-USB-6009 de
esta sección se menciona una llamada “Tipo de convertidor – Aproximaciones sucesivas”. Éste
parámetro se refiere al método que se utiliza para convertir una señal analógica a una señal digital.
A continuación se expone este método de conversión.

La conversión analógico-digital o codificación, consiste en convertir la información numérica
contenida en una señal analógica en una palabra digital. Cuando se convierte una señal analógica
que cambia con el tiempo (voltaje o una corriente) en una digital, el convertidor analógico-digital
(ADC), efectúa usualmente las siguientes operaciones en sucesión: muestreo y retención,
cuantización y codificación. La operación de muestreo se necesita para tomar muestras de la



señal analógica cada determinado tiempo. En teoría, esta operación no es necesaria; sin embargo,
el tiempo de conversión ADC no es cero. Para disminuir el efecto de la variación de la señal
durante la conversión, la muestra de ésta se mantiene fija hasta que la conversión está completa.

La figura 3.2 contiene el diagrama a bloques simplificado de un convertidor A/D por
aproximaciones sucesivas. En esencia, consta de un comparador, un convertidor D/A y alguna
lógica de control asociada. Al inicio de la conversión, todos los bits de salida son puestos en cero
(operación de borrado) y el bit más significativo (MSB) se pone en uno. Después el MSB, que
representa la mitad de toda la escala, se envía internamente al convertidor D/A y la salida de éste
se compara con la entrada analógica. Si la entrada es mayor que el valor analógico del MSB, se
deja el valor de éste, MSB=1; de lo contrario, el valor se pone en cero. A continuación se pone en
uno el siguiente bit más significativo y el proceso se repite. El convertidor cuenta con una línea de
estado cuyo valor (cero y uno) indica que la conversión ha terminado y que la salida digital está
disponible para su transmisión. La figura 3.3 presenta un diagrama de temporización típico para un
convertidor A/D por aproximaciones sucesivas.

Figura 3.2. Diagrama de bloques simplificado de un convertidor A/D por aproximaciones sucesivas.

El tiempo de conversión de un dispositivo A/D actúa como un retraso y se sabe que tiene
efectos adversos sobre la estabilidad de los sistemas de lazo cerrado. Además, el tiempo de
conversión depende de la resolución del convertidor A/D y del método de conversión utilizado. Los
tiempos de conversión de las unidades A/D disponibles comercialmente varían desde 100ns hasta
200μs. En el sencillo caso de que la entrada analógica es una señal analógica constante, el tiempo



de conversión del A/D no tiene importancia, ya que la señal no cambia cuando se compara con los
diferentes valores analógicos de los bits del convertidor.

Figura 3-3 Diagrama de temporización de un convertidor A/D por aproximaciones sucesivas.

En éste capítulo se eligió la tarjeta de adquisición de datos adecuada para el sistema, ésta
tarjeta es uno de los elementos más importantes para la práctica del control por computadora.



Capítulo 4
Diseño del controlador
Proporcional- Integral-
Derivativo (PID)

4.1 Introducción.



Cuando en un futuro escriban los historiadores sobre la ingeniería en el siglo XX, ellos
indicarán que el controlador PID fué el controlador más popular del siglo. Algunos miles de
instrumentos en el amplio mundo de la ingeniería de control están usando tales controladores a
diario en la industria. Una inspección realizada en 1977, revelaba que 34 de 37 controladores
analógicos industriales eran de tipo PID [6]. Lo mismo es verdadero hasta hoy en día con un 90%
de los controles de lazos existentes que involucran un control PID [7,8].

Los métodos para la compensación de sistemas con retardos de tiempo pueden ser divididos
en función de la mejora de parámetros de controladores basados con el PID, en los cuales los
parámetros a controlar son adaptados a la estructura de control y en controladores adaptados
óptimamente a la estructura y parámetros del modelo del proceso [9,10].

El controlador PID y sus variantes: proporcional (P), proporcional integral (PI) o proporcional
derivativo (PD) son los más usados comúnmente en aplicaciones de control de procesos para la
compensación con retardos y sin retardos de tiempo.

El controlador PID es fácil de entender, con reglas de ajustes que han sido validadas en una
gran variedad de casos prácticos. Estas han sido establecidas en un 98% de control de lazos. Las
industrias de papel son operadas por controladores SISO PI [11] y que en aplicaciones de control
de procesos, más del 95% de los controladores son del tipo PID [1]. Sin embargo, Ender [12],
mostró en su examen a miles de lazos de control en cientos de plantas que más del 30% de los
controladores instalados son operados manualmente y el 65% de lazos son operados
automáticamente, produciendo menos variaciones en el manual que en el automático. Los
controladores automáticos son sintonizados pobremente, lo cual no concuerda con el hecho de que
existe basta información disponible en la literatura para determinar los parámetros de control. Sin
embargo esta información está dispersa en artículos y libros.

El controlador PID es muy popular y es utilizado en aplicaciones como: control de procesos,
controles para motores, memorias magnéticas, controles de vuelo, instrumentación, etc. Los
controladores vienen en diferentes formas: como estándar de controladores de un solo lazo o como
un componente del programa de cómputo en controladores lógicos programables para sistemas
distribuidos.

En éste capítulo se presenta la obtención del modelo matemático del sistema de nivel de



líquido y el diseño del controlador para el sistema.

Se propone el diseño de un controlador PID analógico para el sistema de nivel de líquido.
Aunque en la práctica estamos utilizando una computadora para controlar el sistema, se considera
despreciable el tiempo de muestreo debido a que la dinámica del sistema es muy lenta en
comparación con la velocidad del procesamiento de la señales. En las secciones siguientes se
mencionan los detalles de dicha consideración.

4.2 Acción del controlador PID.

Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de
referencia (valor deseado), determina el error y produce una señal de control que tenderá a reducir
el error a cero, o a un valor muy pequeño. La forma como el controlador automático produce la
señal de control, se denomina acción de control [13].

4.2.1 Acciones Básicas de Control.

Clasificación de controladores industriales analógicos. Los controladores industriales analógicos se
pueden clasificar de acuerdo con sus acciones de control [13]:

• Controladores de dos posiciones, o intermitentes (encendido-apagado)
• Controladores proporcionales
• Controladores integrales
• Controladores proporcional-integral
• Controladores tipo proporcional-derivativo
• Controladores tipo proporcional-integral-derivativo

La mayoría de los controladores analógicos industriales utilizan electricidad o algún fluido,
como aceite o aire a presión a modo de fuentes de potencia. Los controladores analógicos también
se pueden clasificar según el tipo de potencia que utilizan en su operación, como neumáticos,
hidráulicos o electrónicos. La clase de controlador a usar se decidirá en base a la naturaleza de la
planta y las condiciones de operación, incluyendo consideraciones tales como seguridad, costo,
disponibilidad, confiabilidad, exactitud, peso y tamaño.

Para el sistema de nivel de líquido se propone utilizar un controlador Proporcional-Integral-



Derivativo (PID) por computadora (considerando el diseño en tiempo continuo debido a las
características del sistema), a continuación se presenta la acción de control que proporciona éste
controlador al sistema.

4.2.2 Acción de control proporcional-integral-derivativo.

La combinación de los efectos de acción proporcional, integral y derivativa, se denomina
acción de control proporcional-integral-derivativa. Esta combinación tiene las ventajas de cada una
de las tres acciones de control individuales. La ecuación de un control con esta acción de control
es:

t
Kp de(t )
u (t ) = K p e(t ) +
Ti ∫ e(t )dt + K
0
T
p d
dt
(4-1)

Aplicando la transformada de Laplace a la ecuación (4-1), con condiciones iniciales cero, se
obtiene de ésta ecuación la función de transferencia:

U (s) ⎛ 1 ⎞
= K p ⎜1 +
⎜ sT + sTd ⎟
⎟ (4-2)
E ( s) ⎝ i ⎠

Donde Kp es la ganancia proporcional, Ti es el tiempo integral, y Td es el tiempo derivativo. En
la figura 4.1 se puede ver el diagrama de bloques de un controlador proporcional, integral y
derivativo.

Figura 4.1. Diagrama a bloques de un controlador proporcional-integral-derivativo.

4.3 Método del lugar geométrico de las raíces.



La compensación de un sistema de control se reduce al diseño de un filtro cuyas
características tiendan a compensar las características indeseables o inalterables de la planta.

El método del lugar geométrico de las raíces es un procedimiento gráfico para determinar las
ubicaciones de todos los polos de lazo cerrado partiendo del conocimiento de las ubicaciones de
los polos y ceros de lazo abierto al variar algún parámetro (usualmente la ganancia) de cero a
infinito. Este método brinda una clara indicación de los efectos del ajuste de parámetros, ventaja
del método del lugar de las raíces, consiste en que es posible obtener información de la respuesta
transitoria. Así como sobre la respuesta en frecuencia partiendo de la configuración de polos y
ceros del sistema en el plano s.

En la práctica el diagrama del lugar de las raíces de un sistema indica que el funcionamiento
deseado puede no lograrse por el simple ajuste de la ganancia. De hecho en algunos casos, el
sistema puede no ser estable para todos los valores de ganancia. Entonces se requiere modificar
la forma del lugar de las raíces para alcanzar las especificaciones de funcionamiento.

Al diseñar un sistema de control, si se requiere un ajuste diferente al de ganancia deben
modificar los lugares de las raíces insertando un compensador adecuado. Una vez comprendidos
perfectamente los efectos de la adición de polos y/o ceros en el lugar de las raíces, se pueden
determinar fácilmente las ubicaciones de polo(s) y cero(s) del compensador que modificará la
forma del lugar de las raíces en la forma deseada. En esencia, en el diseño por medio del método
del lugar de las raíces, se modifica la forma de los lugares de las raíces del sistema a través del
uso de un compensador, de modo que se puede colocar un par de polos dominantes de lazo
cerrado en la ubicación deseada. (Frecuentemente se especifica la relación de amortiguamiento y
la frecuencia natural no amortiguada del par de polos dominantes de lazo cerrado).

4.3.1 Condición de ángulo y de amplitud o modular.
Sea el sistema de la figura 4.2. La función de transferencia de lazo cerrado es:

C ( s) G ( s)
= (4-3)
R( s) 1 + G ( s) H ( s)
Se obtiene la ecuación característica de ése sistema de lazo cerrado haciendo el
denominador del miembro derecho de la ecuación (4-3) igual a cero. Es decir,



1 + G ( s) H ( s) = 0
(4-4)
G ( s ) H ( s ) = −1

Como G(s)H(s) es una magnitud compleja, se puede dividir la ecuación (4-4), en dos
ecuaciones igualando los ángulos y los valores absolutos en ambos miembros, respectivamente,
para obtener:

Condición de ángulo:

∠G ( s ) H ( s ) = ±180°( 2k + 1) con k = 0,1,2,3,… (4-5)

Condición de amplitud, valor absoluto, o modular:

G(s) H ( s) = 1 (4-6)

Figura 4-2. Sistema de control

Los valores de s que cumplen las condiciones de ángulo y fase son las raíces de la ecuación
característica o polos de lazo cerrado. El diagrama de los puntos del plano complejo que satisfacen
la condición de ángulo, son el lugar de las raíces. Las raíces de la ecuación característica (los
polos de lazo cerrado) correspondientes a un determinado valor de ganancia, pueden ser
determinados de la condición de magnitud (Ecuación 4-6). [13]



4.4 Obtención del modelo matemático del sistema de nivel de líquido.

Para realizar control sobre el sistema de nivel de líquido es necesario encontrar un modelo
matemático que describa la dinámica del sistema. A continuación se realiza un análisis para la
obtención del modelo matemático del sistema de nivel de líquido. Posteriormente se obtiene el
modelo matemático de manera práctica del sistema de nivel de líquido a controlar.

Al analizar sistemas que involucran el flujo de fluidos se hace necesario dividir los regimenes
de flujo en flujo laminar y flujo turbulento, de acuerdo con el valor del número de Reynolds. Si el
número de Reynolds es mayor que aproximadamente de 3000 a 4000, el flujo es turbulento. El flujo
es laminar si el número de Reynolds es menor que aproximadamente 2000. En el caso laminar el
flujo de fluido se produce en venas sin turbulencia. Los sistemas que involucran flujo turbulento
frecuentemente deben ser representados por ecuaciones diferenciales no lineales, mientras los
sistemas que corresponden a flujo laminar, pueden ser representados por ecuaciones diferenciales
lineales. (En los procesos industriales frecuentemente se tienen flujos de fluidos en tuberías y
tanques. En esos procesos el flujo frecuentemente es turbulento y no laminar).

Es conveniente introducir el concepto de resistencia y capacitancia para describir las
características dinámicas para los sistemas de nivel de líquidos.

Sea el flujo a través de una tubería corta que conecta dos tanques. En éste caso se define la
resistencia al flujo de líquido como la variación de diferencia de nivel (la diferencia de niveles de
líquidos entre los dos tanques) necesaria para producir una variación unitaria en el caudal; es
decir:
Variacion de diferencia de nivel [pies]
R= (4-7)
Variacion en caudal [pies3 /seg]

Como la relación entre el caudal y la diferencia de nivel difiere entre el caso del flujo laminar y
el flujo turbulento, en lo que sigue se consideran ambas circunstancias.

Sea el sistema de nivel de líquido que aparece en la figura 4.3(a). En este sistema el flujo
fluye a través de la válvula de carga en el costado del tanque.

Si el flujo a través de esta restricción es laminar, la relación entre el caudal de régimen y la
carga hidrostática de régimen al nivel de la restricción, queda dada por:



Q = KH (4-8)
Donde:
Q = Caudal del régimen en pie3/seg
K = Coeficiente en pie 2.5/seg
H = Carga hidrostática de régimen, en pies.

Nótese que la ley que rige al flujo laminar es análoga a la ley de Coulomb que establece que
la corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial.

Para el flujo laminar se obtiene la resistencia R1 como:

dH H
Rl = = (4-9)
dQ Q

La resistencia al flujo laminar es constante y análoga a la resistencia eléctrica.
Si el flujo a través de la restricción es turbulento, el caudal de régimen ésta dado por:

Q=K H (4-10)
Donde:
Q = Caudal del régimen en pie3/seg
K = Coeficiente en pie 2.5/seg
H = Carga hidrostática de régimen, en pies.

Se obtiene la resistencia Rt para flujo turbulento, de

dH 2 H
Rt = = (4-11)
dQ Q

El valor de la resistencia en el flujo turbulento depende del caudal y de la carga hidrostática.
Usando las resistencias de flujo turbulento, se puede linealizar la relación no lineal entre Q y
H según la da la ecuación (4-10). Esta linealización es válida siempre que las modificaciones en
carga y caudal, con respecto a sus valores estabilizados sean pequeñas. Esa relación linealizada
está dada por:



2H
Q= (4-12)
Rt
El valor de Rt puede ser considerado constante si los cambios en carga y caudal son

pequeños.

Figura 4.3 (a) Sistema de nivel de líquido (b) Carga hidrostática en función del caudal.

En muchos casos reales el valor del coeficiente K en la ecuación (4-10) que depende del
coeficiente de flujo y del área de la restricción, no es conocido. En ese caso se puede hallar la
resistencia trazando la representación gráfica de la carga hidrostática en función del caudal
basándose en los valores experimentales y midiendo la pendiente de la curva en la condición de
funcionamiento. En la figura 4.3(b) se puede ver un ejemplo de un diagrama como el mencionado y
el punto de estabilidad de o presión y resistencia Rt aparecen indicados en esa figura (la

resistencia Rt es la pendiente de la curva en el punto de operación). La aproximación lineal se



basa en el hecho de que la curva efectiva no difiere mucho de su tangente si las condiciones de
opresión no varían mucho.

La capacitancia C de un tanque es definida como la variación en cantidad de líquido
acumulado necesaria para producir una variación unitaria en el potencial (carga hidrostática). (El
potencial es la magnitud que indica el nivel de energía del sistema).

Variacion en el liquido almacenado [pies3 ]
C= (4-13)
Variacion de carga [pies]

Debe notarse que la capacidad (en pies3) y la capacitancia (pies2) son diferentes. La capacitancia
del tanque es igual al área de la sección recta. Si ésta es constante, la capacitancia es constante
para cualquier carga.

Considere el sistema que aparece en la figura 4.3(a). Se definen las variables del siguiente modo:

Q = Caudal de régimen (antes de haber ocurrido ningún cambio), en pie3/min
qi = Pequeña desviación del caudal de entrada respecto al valor de régimen, en pie 3/min
q 0 = Pequeña desviación del caudal de salida respecto al valor de régimen, en pie3/min
H = Carga hidrostática de régimen (antes de ocurrir un cambio)
h = Pequeña desviación de la carga hidrostática respecto al valor de régimen, en pies.

Como se indicó previamente, se puede considerar lineal a un sistema si el flujo es laminar.
Aun si el flujo es turbulento, el sistema puede ser linealizado si se mantienen reducidas las
variaciones de las variables. En la hipótesis de que el sistema es lineal o linealizado, se puede
obtener la ecuación diferencial de éste sistema del siguiente modo: como el caudal de entrada
menos el caudal de salida durante el pequeño intervalo de tiempo dt es igual a la cantidad
adicional acumulada en el tanque, se ve que:

Cdh = (qi − q 0 )dt (4-14)

De la definición de resistencia, la relación entre q 0 y h está dada por:



h
q0 = (4-15)
R

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

dh
RC + h = Rq i (4-16)
dt

Nótese que RC es la constante de tiempo del sistema. Tomando las transformadas de
Laplace en ambos miembros de la ecuación (4-16), suponiendo una condición inicial cero, se
obtiene:

( RCs + 1) H ( s) = RQ1 ( s) (4-17)

Donde: H ( s) = L[h] y Qi ( s ) = L[qi ] . Si qi es considerada la entrada y h la salida, la función de
transferencia del sistema es:

H ( s) R
= (4-18)
Qi ( s ) RCs + 1

Sin embargo, si q 0 es tomada como salida, con la misma entrada, la función de transferencia es

Q 0 (s) 1
= (4-19)
Qi ( s ) RCs + 1
Donde se usó la relación:

1
Q0 ( s ) = H (s) (4-20)
R

Como podemos observar en la ecuación (4-19), la función de transferencia de un sistema de
nivel de líquido es de primer orden.



La obtención del modelo matemático en éste proyecto se realiza de manera práctica, es decir,
se obtiene a partir de mediciones realizadas experimentalmente. A continuación se realiza la
descripción de la obtención del modelo matemático.

Las mediciones son realizadas a lazo abierto en el laboratorio y con las siguientes
condiciones:

1) El tanque 1 se encuentra a nivel mínimo (vacío).

2) La válvula de salida del tanque 1 permanece abierta de manera constante y es abierta al
75% de su capacidad.

3) Se aplica un voltaje de 11V a la bomba de agua (motor) para suministrar agua al tanque 1.

4) Se mide el nivel de líquido a través del sensor que es conectado a un osciloscopio digital
Tektronix TDS 3032.

5) La medición se realiza hasta que el flujo de agua suministrado al tanque 1 sea igual al flujo
que la válvula.

La respuesta del sistema a lazo abierto se muestra en la figura 4.4. Los parámetros más
importantes de la respuesta medida son el tiempo de establecimiento t s = 560 segundos y el

voltaje máximo Vmax = 2.44 volts.

Una vez encontrada la respuesta del sistema de manera práctica es necesario encontrar el
modelo matemático que nos permita representar ésta respuesta. Con los parámetros anteriores y
relacionando la respuesta del sistema (obtenida de manera práctica en la figura 4.4) con la
respuesta de un sistema de primer orden, se observa que la respuesta del sistema tiene una
constante de tiempo τ , entonces:

τ = 160 segundos (4-21)



Sabemos que la función de transferencia de un sistema de primer orden puede ser expresada
como:
K
= τ
K
Fp ( s ) = (4-22)
τ s +1 s + 1
τ
El parámetro que conocemos para ésta planta es τ = 160 segundos. Para encontrar la
ganancia que describirá el comportamiento de la planta se aplica el límite de la ecuación (4-23) y
tomando en cuenta los valores utilizados para la obtención de la respuesta, es decir, una entrada

⎛ 11 ⎞
escalón u ( s ) = ⎜ ⎟ y un voltaje máximo Vmax = 2.44 volts.
⎝ s ⎠

lim s →0 = sF ( s ) = V max (4-23)

Sustituyendo los parámetros, encontramos:

⎡ ⎛ K ⎞⎤
⎢11 ⎜ ⎟⎥
lim s →0 = s ⎢ ⎜ τ ⎟ ⎥ = 2.44 (4-24)
⎢ s ⎜ s + 1 ⎟⎥
⎜ ⎟
⎢ ⎝
⎣ τ ⎠⎥⎦

Después de aplicar el límite despeja la ganancia K y obtenemos:

11K = 2.44 ⇒ K = 0.2218 (4-25)

Entonces la función de transferencia de la planta queda expresada como:

1.3863 ×10−3
F (s) = (4-26)
p s + 6.25 × 10−3

Para verificar si el modelo matemático del sistema de nivel de líquido es correcto, se realiza la
simulación en Matlab y en la figura 4.6 se muestra la respuesta.



Figura 4.5. Simulación para la respuesta del Sistema de Nivel de Líquido a Lazo abierto.

Comparando la respuesta obtenida de manera práctica con la señal simulada, podemos
verificar que el modelo matemático propuesto es correcto, ya que no presenta diferencias
considerables.

El tiempo de la respuesta del sistema de nivel de líquido es de 13 minutos aproximadamente
(cuando el sistema se establece). La dinámica del sistema es muy lenta en comparación del tiempo
de muestreo de las señales, es por esto que se hace despreciable el tiempo de muestreo y se
diseña un controlador PID analógico para controlar al sistema.

4.5 Compensación del sistema de nivel de líquido.

Una vez que se tiene el modelo matemático del sistema, se procede a realizar el cálculo de
las ganancias del controlador PID para compensar el sistema.

Para el sistema de nivel de líquido se propone utilizar una compensación por el método del
lugar geométrico de las raíces con un controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID). El sistema
completo se describe con el diagrama a bloques de la figura 4.6.



Figura 4.6. Diagrama a bloques para el Sistema de Nivel de Líquido.

El bloque que corresponde al actuador se considera como una constante y de forma ideal con
ganancia unitaria. Para compensar el sistema es indispensable conocer las especificaciones del
sistema a lazo cerrado. Se propone un coeficiente de amortiguamiento ξ = 0.7 y un tiempo de
establecimiento t s = 450 segundos, la frecuencia natural no amortiguada del sistema ωn la

encontramos a partir del tiempo de establecimiento:
4
ts = = 450 segundos (4-27)
ξω n

Despejando la frecuencia natural no amortiguada del sistema de la ecuación (4-27), tenemos:
4
ωn = = 12.6984 × 10 −3 rad/seg. (4-28)
t sξ
Una vez conocidas las especificaciones del sistema se debe conseguir que el lugar

geométrico de las raíces pase por el punto propuesto : s1, 2 = −ξω n ± jω n 1 − ξ
2
, para nuestro

caso éste punto es:

s1 = −8.8889 × 10−3 + j 9.0685 × 10−3 (4-29)

En donde el sistema cumple con las especificaciones propuestas. El objetivo de aplicar control
a éste sistema de nivel de líquido son principalmente dos: el primero es mejorar el desempeño del
sistema es decir, obtener una respuesta del sistema en lazo cerrado mejor a la respuesta del
sistema en lazo abierto. Para éste caso en específico se busca mejorar el tiempo de
establecimiento del sistema. Y el otro aspecto importante es la automatización del sistema.



Para conseguir que el lugar geométrico de las raíces pase por este punto deseado, se
utilizará un compensador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) con una función de transferencia:

K ( s + a )( s + b)
Fc ( s) = (4-30)
s
O bien:

⎛ 1 ⎞
Fc ( s) = K P ⎜1 +
⎜ T s + Td s ⎟
⎟ (4-31)
⎝ i ⎠

Cuando se introduce éste compensador se adicionan dos ceros y un polo en el origen al
sistema. Hasta el momento desconocemos la ubicación de dichos ceros. Enseguida se realiza un
análisis para obtener su ubicación y conseguir que el punto deseado sea lugar geométrico de las
raíces. Para que el punto deseado sea lugar geométrico de las raíces debe cumplir con la
condición de fase:

∠GH = ∑ ∠θ Z − ∑ ∠θ P = ±180° (4-32)

Para éste sistema, ésta condición de fase queda expresada como:

⎡∠( s + a) + ∠( s + b) − ⎡∠s + ∠( s + 6.25 ×10−3 ) ⎤ ⎤
⎣ ⎣ ⎦ ⎦ s =−8.8889×103 + j 9.0685×10−3 = −180° (4-33)

−3
Los ángulos ∠s = 134.39° y ∠( s + 6.25 × 10 ) =106.22° son conocidos. Para que el punto

deseado cumpla la condición de fase se propone que los dos ceros tengan el mismo ángulo, por lo
tanto se procede a encontrar el valor de éste ángulo:

⎡ 2∠( s + a ) − [134.42° + 106.22°]⎤ s =−8.8889×10−3 +9.0685×10−3 = −180°
⎣ ⎦ (4-34)

La ecuación (4-34) revela que los ceros del compensador debe tener una contribución de
60.64º , para que el punto deseado sea lugar de las raíces.
−3
En la figura 4.8 se observa que al ubicar los dos ceros en el punto s = −24.3953 × 10 , cada
uno de los ceros tendrá una contribución de:

∠( s + a ) = ∠( s + b) = 30.32° (4-35)



Entonces la función de transferencia del compensador se puede escribir como:

K ( s + 24.3953 × 10−3 ) 2
Fc ( s ) = (4-36)
s

Hasta el momento conocemos la ubicación de los ceros del compensador, pero aún se
desconoce la ganancia del compensador de la ecuación (4-36), con la cual se cumplen las
especificaciones del sistema. Utilizaremos la condición de magnitud para encontrar el valor de K
en el compensador, en la que el lugar geométrico de las raíces pasa por el punto deseado

s1 = −8.8889 ×10−3 + j 9.0685 × 10−3 :

s ( s + 6.25 × 10−3 )
K= (4-37)
(1.3863 × 10 −3 )( s + 24.3953 × 10 −3 ) 2 s =−8.8889×10−3 + j 9.0685×10−3

Obteniendo K = 268.10 , entonces la función de transferencia del controlador PID, queda
expresada con la ecuación (4-38)

268.10( s + 24.3953 × 10−3 )2
Fc ( s ) = (4-38)
s
El sistema puede ser descrito por el diagrama a bloques de la figura 4.7, además la figura 4.8
muestra la compensación del sistema, donde se muestra la ubicación de los polos y ceros del
sistema controlado.

Figura 4.7. Diagrama a bloques del sistema de Nivel de Líquido compensado con un controlador PID.



Figura 4.8. Compensación para el sistema de Nivel de Líquido con un controlador PID.

Figura 4.9. Simulación del sistema de Nivel de Líquido compensado con un controlador PID, con una
referencia de 2.44 volts.



Una vez terminada compensación, se realiza una simulación del sistema a lazo cerrado para
verificar si el sistema cumple con las especificaciones propuestas, la figura 4.9 muestra la
respuesta del sistema en simulación y se observa que la señal cumple con las especificaciones del
sistema un coeficiente de amortiguamiento ξ = 0.7 y un tiempo de establecimiento t s = 450
segundos.

En éste capítulo se presentó la metodología para el diseño de un controlador PID para un
sistema de nivel de líquido, ahora es necesario diseñar un programa por computadora que realice
as acciones del controlador, en el capítulo 5 se presenta el diseño de dicho programa y se reportan
los últimos detalles para llevar a cabo el control por computadora.



Capítulo 5
Programación del controlador
Proporcional- Integral-
Derivativo (PID) en Labview.



5.1 Introducción.

Existen varios esquemas de control que involucran una computadora para realizar el control
de un proceso [14,15]. Entre los que han sido muy utilizados se pueden mencionar los siguientes:

a) Control Supervisor

En este esquema la computadora solo realiza una supervisión del proceso, fijando las
referencias de los controladores analógicos de lazos individuales ya existentes como se muestra
en la figura 5.1. Éste esquema facilita el despliegue de información y detecta niveles altos o bajos
de señal que activan adecuadamente el sistema de alarmas del proceso.

Figura 5.1. Sistema de control supervisor.

b) Control Digital Directo

El siguiente paso en el uso de la computadora para el control de procesos es lo que se
conoce como Control Digital Directo (CDD). Éste consiste en emplear una computadora digital en
un lazo de regulación, como se observa en la figura 5.2, tanto para fijar la consigna como para
actuar como un controlador [16]. Varios controladores de procesos convencionales fueron
reemplazados por una sola computadora digital.

La computadora calcula los valores de las variables manipuladas directamente de los valores
de las referencias, variables controladas y otras mediciones del proceso. La velocidad de la
computadora le permite trabajar con cada lazo de control realimentado en secuencia. En sus
inicios la programación con que se disponía para realizar un CDD limitó las posibilidades de
realizar algoritmos más complicados.



Figura 5.2. Control Digital Directo.

En control de procesos industriales se deben controlar cientos de variables y por lo tanto
muchas entradas y salidas deben ser sensadas y actuar en consecuencia. Los principales
problemas que se tuvieron en los inicios de CDD fueron los siguientes:

• Velocidad limitada
• Capacidad limitada de memoria de los sistemas de cómputo disponibles.
• Falta de programación adecuada.

Estas instalaciones eran costosas, no solamente porque se necesitaban varias computadoras
sino también porque los gerentes de planta insistían en tener controladores analógicos
convencionales como sistemas de resguardo.

En la actualidad, las limitaciones de este tipo de control han sido superadas debido al
desarrollo de las computadoras. Hoy en día las computadoras cuentan con una velocidad de
procesamiento suficiente para controlar procesos, la memoria de las computadoras ha aumentado
y se ha logrado desarrollar software de alto nivel que permite facilitar el trabajo del programador.

Para el control del sistema de nivel de líquido se utiliza un control digital directo (CDD), de la
figura 5.2, el subsistema de entrada y salida corresponden a la tarjeta de adquisición de datos y la
planta es el sistema de nivel de líquido.



c) Control Centralizado

Este tipo de esquema utiliza sólo una computadora para manejar toda la información
proveniente del proceso, en base a ella y a criterios específicos a optimizar, genera las acciones de
control requeridas. Naturalmente que este tipo de esquema podría realizar una mejora de todo el
proceso al disponer de toda la información sobre el mismo en un solo punto. Sin embargo, el
mayor problema es que se requiere de una gran confiabilidad en la computadora.

Algunos de los problemas que presenta éste tipo de control son:

1. Confiabilidad

a) La máquina controla gran parte de la planta.
b) Generalmente se usan sistemas analógicos y aún manuales como equipo de
apoyo o resguardo.

2. Complejidad de los sistemas de datos de entrada y salida.

a) La multiplexación de cientos de señales analógicas en un canal de entrada
común de la computadora.
b) Uso de relevadores.

3. Complejidad en la programación para poder controlar grandes sistemas en forma central.

a) Necesidad de programas ejecutivos en tiempo real para repetir el trabajo de la
unidad central de proceso (CPU) de la computadora, entre las principales
tareas de control, manejo de la memoria principal de la computadora, manejo
de las operaciones de entrada y salida para prevenir conflictos entre tareas y
mantenimiento de la base de datos del sistema.
b) El tamaño y complejidad del programa ejecutivo crece con el tamaño y
complejidad del sistema a controlar.

d) Control Distribuido

En este esquema se utiliza una red de microcomputadoras, cada una de las cuales realiza el
control, en el ámbito local, de una parte del proceso [17]. La información de cada unidad de control



local puede ser centralizada en una computadora situada en un nivel jerárquico superior. Esta
configuración es la que ofrece mejores perspectivas para ser utilizada con éxito en el control de
procesos industriales.

El primer sistema de control por computadora fue puesto en marcha en una planta de la
Texaco Oil Co., en agosto de 1958. Desde entonces el número de tales instalaciones ha
aumentado en forma impresionante. Igualmente es impresionante la capacidad de las instalaciones
actuales, al grado de que se puede afirmar que ha habido una mejora en un factor de 20000/1 con
respecto a las primeras instalaciones [18].

En éste capítulo se describen las características de Labview, software utilizado para el control
del sistema de nivel de líquido. Posteriormente se presenta el diseño del programa computacional
que realiza las operaciones necesarias para aplicar control por computadora al sistema de nivel de
líquido y finalmente se realizan las pruebas y mediciones necesarias para comprobar el
funcionamiento del control por computadora del sistema de nivel de líquido.

5.2 Características de Labview.

Una computadora es un dispositivo que es capaz de procesar datos de acuerdo a un
programa o lista de instrucciones. El lenguaje máquina son las instrucciones que la computadora
es capaz de interpretar, sin embargo, es difícil para un ser humano trabajar con él directamente,
por lo que un lenguaje de programación es el puente entre el lenguaje que interpreta una
computadora y el dialecto común del programador. Más específicamente, un lenguaje de
programación es una técnica de comunicación estandarizada para expresar instrucciones a una
computadora.

Un lenguaje de programación de bajo nivel es aquel que es más cercano al lenguaje máquina,
por ejemplo el lenguaje ensamblador del procesador de la computadora donde se programa. El
beneficio más obvio es la eficiencia del código, pero el tiempo de desarrollo es extenso dada la
complejidad de la construcción de programas, agregando que es muy tedioso para el programador
[2].

Su contraparte, un lenguaje de programación de alto nivel es aquel que es más parecido a un
lenguaje humano. Por lo tanto realizar un programa es mucho más rápido, dado que las
instrucciones son familiares para el programador. Su desventaja principal es que debido a un



programa de alto nivel debe traducirse a lenguaje máquina, la eficiencia del programa se ve
afectada.

En la actualidad la velocidad de procesamiento de una computadora personal hace
despreciable la diferencia del tiempo de ejecución de un programa realizado en bajo nivel que uno
en alto nivel [2].

National Instruments, fabricante de NI USB 6009, recomienda el empleo de Labview
(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) para programar aplicaciones en su
hardware. Labview tiene un ambiente de desarrollo basado en programación gráfica utilizando
terminología, íconos e ideas del dominio y manejo de científicos e ingenieros. Algunos de estos
símbolos se muestran a manera de ejemplo en la tabla 5-1. Sin embargo, también es posible
utilizar líneas de texto que son insertadas en el diagrama a bloques para describir acciones de
programación. Labview está diseñado especialmente para el manejo de tarjetas de adquisición de
datos, sin limitar su capacidad para desarrollar cualquier aplicación.

El empleo de instrumentos basados en la computadora hace posible el diseño de
instrumentos de medición y automatización a un menor costo y con gran flexibilidad. El lenguaje
gráfico de programación de Labview brinda un medio más sencillo para que personas que no sean
especialistas en la programación puedan rápidamente diseñar complejas aplicaciones de prueba,
medición y automatización. Además, cuenta con valiosos recursos como son los tutoriales,
ejemplos, ayuda en línea y estructuras modificables disponibles en Internet.

Un programa en Labview consta de dos elementos básicos que son el panel frontal y el
diagrama de bloques. En el panel frontal se colocan los controles y pantallas del sistema mediante
la selección de objetos como indicadores numéricos, medidores, termómetros, tanques, LEDs y
gráficas. Una vez que se ha terminado de programar, el panel frontal es el medio para que el
usuario interactúe con el sistema.

Durante la programación se construye el diagrama a bloques seleccionando objetos e
interconectándolos para transferir datos entre ellos. Estos objetos incluyen funciones aritméticas,
lógicas, trigonométricas, rutinas avanzadas de adquisición y análisis, operaciones entrada-salida,
etc. Labview funciona mediante un modelo de flujo de datos completamente diferente a la
arquitectura lineal de los lenguajes de programación basados en líneas de texto. Debido a que el
orden de ejecución en Labview es determinado por el flujo de datos entre nodos y no por líneas
secuenciales de texto. Se pueden crear diagramas que ejecuten múltiples operaciones en paralelo.



Tabla 5-1. Algunos Símbolos Utilizados en la Programación en LabVIEW.

Símbolo Significado

Suma los valores de las entradas.

Multiplica los valores de las
entradas.

Entrega el Seno del valor de la
entrada.

Entrega el valor lógico del NAND de
las entradas.

En caso de que los valores de las
entradas sean diferentes, entrega
un uno lógico.

Entrega un valor cero lógico

Genera números aleatorios en el
rango de cero a uno.

En muchas aplicaciones la velocidad de ejecución es crítica. Labview es el único sistema
gráfico de programación con un compilador que genera un código optimizado con velocidades de
ejecución comparables con programas compilados en C.

5.2.1 Requerimientos mínimos para la instalación de Labview.

Antes de instalar Labview en una computadora es recomendable revisar los requerimientos
mínimos que solicita el fabricante para ser instalado. A continuación se muestra un listado de las
características mínimas que requiere el software para ser utilizado en una computadora.

Procesador a 800 Mhz.



128 MB en memoria RAM.

LabVIEW soporta Windows 2000/NT 4.0 Service Pack 6 o superior/XP. LabVIEW no
soporta Windows Me/98/95.

5.3 Programación en Labview de la variable de interés.

Como ya sabemos el elemento de medición de la planta entrega una señal de 0 a 5 volts,
dependiendo el nivel de líquido en el contenedor. La mayoría de las veces el operador del sistema
no está familiarizado con relacionar un valor de voltaje con un nivel de líquido. Por está razón, la
visualización del nivel de líquido en la computadora debe ser en unidades de medida conocidas por
el operador. Así, surge la necesidad de procesar la señal del sensor para presentarla en la
computadora con unidades de medida conocidas por los usuarios del sistema. Es muy importante
tener una buena representación del nivel de líquido en la computadora, de éste modo, es posible
que los operadores detecten fallas en el sistema fácilmente desde cualquier computadora.
(Recordemos que Labview permite monitorear y operar el sistema a través de una red, si así lo
deseamos).

Para que el nivel de líquido sea visualizado en la computadora, no únicamente de manera
gráfica sino acompañado de una escala, es necesario elaborar un programa que reciba la señal del
sensor de nivel, procese dicha señal y por último muestre el nivel de líquido del sistema con una
escala. Para realizar éste programa, primero debemos decidir que tipo de escala se desea utilizar,
ya que para contabilizar el contenido de líquido de un tanque normalmente se utilizan unidades de
volumen, se propone que el programa muestre el nivel de líquido del sistema en Litros. Estas
unidades son comúnmente utilizadas para representar un nivel de líquido. Una vez conocida la
capacidad máxima y mínima del contenedor, el usuario identificará fácilmente los niveles de riesgo
en el sistema.

La tarjeta de adquisición de datos es como cualquier dispositivo externo que se conecta a la
computadora. Por lo tanto, es necesario instalar un controlador para que el nuevo dispositivo sea
reconocido. El controlador utilizado para la tarjeta de adquisición de datos NI- USB- 6009 es el NI –
DAQ 7.5 y es proporcionado por National Instruments. Para verificar que la tarjeta de adquisición
de datos ha sido identificada por la computadora se siguen los siguientes pasos:



1. Ingresar a Measurement & Automation (instalado junto con Labview). Desde el escritorio de la
computadora se sigue la siguiente ruta: Inicio >> Todos los programas >> National
Instruments>>Measuremente & Automation. Y aparece la pantalla de la figura 5.3.

Figura 5.3. Measurement & Automation.

2. En la parte superior izquierda de la pantalla se da doble clic en “devices and interfaces”, y se
despliega una lista de los modos disponibles para conectar hardware a la computadora.
Damos doble clic en NI-DAQmx, y aparecerán los dispositivos disponibles para adquisición
de datos, en nuestro caso deberá aparecer la NI-USB 6009, como en la figura 5.4.

Figura 5.4. Reconocimiento de la tarjeta de adquisición de datos por la computadora.



Si damos doble clic sobre NI-USB-6009 de la figura 5.4 aparecerá como ‘dev1’, y además se
indicará el estado de la tarjeta. Una vez que la computadora ya identifico la conexión de la tarjeta,
ahora se describe el procedimiento para el diseño del programa de procesamiento de la señal de
sensor (variable de proceso), en Labview.

A. Desde el escritorio de la computadora, ingresamos a Labview con la siguiente ruta:
Inicio>>Todos los programas>>National Instruments>> Labview 7.1>> LabVIEW.

B. Se da clic en “Open”, y se selecciona “Data Acquisition with NI-DAQ mx.vi”, después de esto
aparece una pantalla como de la figura 5.5 (a), que es el panel frontal del programa, la figura
5.5(b) muestra el diagrama a bloques del programa. Para ver el diagrama a bloques desde el
panel frontal se debe ingresar en la barra de herramientas de Labview a Window>>Show
Block diagram.

(a)



(b)
Figura 5-5 (a) Panel frontal del programa (b) Diagrama a bloques del programa.

En el diagrama a bloques se observa un bloque llamado “DAQ Assistant”, éste bloque es un
asistente para la adquisición de datos. A través de él es posible configurar los canales de la
tarjeta de adquisición de datos como entrada y/o salida, y permite modificar algunos
parámetros relacionados con la adquisición de datos.

Para comprender claramente el funcionamiento del asistente, enseguida se configura un canal
de la tarjeta como entrada analógica, para introducir la señal del sensor de nivel de líquido.

C. Damos doble clic sobre el bloque “DAQ Assistant”. A continuación aparece una lista para
seleccionar el tipo de señal que se requiere, damos clic en “Analog input” (Entrada analógica),
después se solicita el tipo de señal que ingresará por la tarjeta, entonces seleccionamos
“Voltage”. Para indicar el canal físico que se utilizará en la medición del nivel de líquido, se
propone seleccionar “ai1”. Por último, damos clic en “Finish” y esperamos unos segundos. A
continuación aparecerá una ventana como la mostrada en la figura 5.6.

D. El asistente muestra una ventana como la figura 5-11, ésta ventana permite configurar de
manera especifica los parámetros para la adquisición de datos. Para algunas configuraciones
el asistente mostrará mensajes de error, para evitar esto es recomendable revisar las
especificaciones de la tarjeta para verificar que los valores de la configuración están dentro de
los permitidos.



Figura 5.6. Asistente para la adquisición de datos.

Se proponen los siguientes valores de configuración para adquirir la señal del sensor de nivel
de líquido,

Rango de entrada: Máximo = 5 Volts, Mínimo = 0 Volts.
Configuración de terminal: RSE. Es para realizar una medición de tipo simple.
Modo de adquisición “N Samples".
Samples to read 1000
Rate (Hz) 1000

E. Una vez configurado el canal de entrada analógica para el sensor del sistema de nivel de
líquido, el asistente de adquisición de datos permite revisar el funcionamiento del canal, para
esto, damos clic en el botón “Test” ubicado en la parte superior izquierda del asistente y se
muestra una ventana como la figura 5.7. Como se puede observar en la ventana de la figura 5-
12, se visualiza un display con la señal del sensor obtenida de la tarjeta de adquisición de
datos. Podemos dar clic las veces que se desee en “Start” para probar el canal de entrada
analógica.



Figura 5.7. Test del canal utilizado para el sensor del sistema.

F. Para finalizar con el asistente damos clic en “close” de la figura 5.7 y “OK” en la ventana de la
figura 5.6.

G. Hasta este momento podemos decir que tenemos la señal del sensor del sistema de nivel de
líquido en la computadora. Ahora se realizan las operaciones correspondientes para la
conversión de voltaje a litros contenidos en el tanque.

Para realizar la conversión de voltaje–litros, se requiere saber la cantidad de litros contenidos
en el tanque cuando el sensor entrega +5 volts (máxima altura de medición de nivel de líquido).
Para el caso del sistema de nivel de líquido es de 13 litros, tomando en cuenta éstos datos es
posible programar las operaciones para el procesamiento de la señal, la figura 5.8 muestra el
panel frontal del programa y la figura 5.9 muestra el diagrama a bloques del programa para
procesamiento y visualización de la señal del sensor.

H. Finalmente se guarda el programa, se ejecuta, y para observar la exactitud de la conversión,
se recomienda que el tanque del sistema tenga escrita la escala en litros, para comparar el
valor mostrado en el tanque con el valor medido por computadora.



Figura 5.8. Panel frontal del programa para el procesamiento y visualización de la señal del sensor.

Figura 5.9. Diagrama a bloques del programa para el procesamiento y visualización de la señal del
sensor.
La explicación del programa (Véase diagrama a bloques).

1. Se adquiere la señal del sensor con el asistente de adquisición de datos.
2. Un indicador numérico para visualizar el voltaje que entrega el sensor a la computadora.



3. Se multiplica la señal del sensor por 13 (máximo de litros que pueden se medidos en el
tanque).
4. El resultado de la operación del paso 3 es dividido entre 5 (Voltaje máximo de medición del
sensor).
5. Finalmente el resultado en litros es presentado de manera gráfica con un contenedor de
líquido y un indicador numérico.

Observe que los indicadores utilizados en el programa tienen el mismo nombre en el panel
frontal y en el diagrama a bloques, esto con la finalidad de identificar a donde son conectados en el
diagrama a bloques. Así queda diseñado el programa para el procesamiento de la señal del sensor
para que la variable de proceso sea presentada en unidades de volumen en la computadora.

5.4 Programación del controlador PID en Labview.

Para la programación del controlador PID, nos apoyaremos en el diagrama a bloques del
sistema de nivel de liquido controlado (figura 5.10). La referencia o setpoint del sistema será dado
por software. Como se ve en la figura 5.10 es necesario programar en la computadora el
controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID).

Una forma muy común de programar el controlador PID es realizando un algoritmo que simule
el comportamiento del controlador. En Labview no es necesario que el usuario programe línea por
línea un algoritmo de control como en la mayoría de los lenguajes de programación. En Labview es
suficiente con instalar las cajas de herramientas de control (proporcionadas por el fabricante) y
entre ellas se encuentra un menú con controladores PID en diferentes modalidades. Entonces, es
suficiente con arrastrar el bloque de PID simple al diagrama de bloques del proyecto en labview y
proporcionarle los parámetros que solicita para ponerlo en funcionamiento.

Figura 5.10. Diagrama a bloques del sistema de nivel de líquido



Una de las características de Labview es la abstracción, esta cualidad del software permite
utilizar diferentes herramientas sin ser necesario el conocimiento de la programación de dichas
funciones. El hecho de que Labview cuente con ésta característica, no significa que no tengamos
acceso a visualizar la programación de las funciones. En la figura 5.11 se presenta el diagrama a
bloques de la función PID-simple, función utilizada para el control de nuestro sistema de nivel de
líquido. Analizando el diagrama a bloques de la figura 5.11 se observa que el setpoint y la variable
de proceso son conectados a un restador, ésta operación equivale al detector de error de la figura
5.10 del control del sistema.

Ahora, en el diagrama a bloques de la función PID-simple (figura 5.11), se solicitan las
ganancias del controlador PID, con ellas se realizan operaciones aritméticas. Si comparamos las
operaciones aritméticas realizadas en la figura 5-16, con la función de transferencias de un
controlador PID analógico (ecuación 4-31), notaremos que la función PID-simple realiza las
operaciones necesarias de un controlador PID.

Figura 5.11. Diagrama a bloques de la función PID-simple.



También se observa que la función PID-simple depende de otras funciones, las cuales ya no
es necesario mencionar su funcionamiento, ya que por simple inspección se puede identificar la
operación de dichas funciones.

En éste momento podemos decir que la función PID-simple proporcionada por Labview es el
control automático PID de la figura 5.10, aunque debemos mencionar que aún falta darle los
parámetros correspondientes para su funcionamiento. Entre los parámetros que solicita la función
PID-simple, se encuentra “rango de salida”, éste depende de las especificaciones de la tarjeta de
adquisición de datos utilizada, para el caso de la USB-6009 es 0 volts para el mínimo y 5 volts
para el máximo.

En el capitulo 4, se realizó el diseño del controlador PID analógico y se calcularon las
ganancias para el controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para el sistema de nivel de
líquido. De la función de transferencia del controlador PID analógico (ecuación 4-38) se obtienen
las ganancias para el controlador PID-simple que se utiliza para el control del sistema por
computadora.

K p = 13.0806
Ti (min) = 1.3663 (5-1)
Td (min) = 0.3416

Hasta el momento se ha descrito con detalle la función PID-simple, que es uno de los
elementos más importantes del programa. Entonces, ya que contamos con el controlador PID en la
computadora para el sistema de nivel de líquido, se agrega el programa que realizado de la
variable de proceso y se realizan las conexiones pertinentes en el diagrama a bloques del
programa.

Las figuras siguientes muestran el programa final utilizado para controlar el sistema de nivel
de líquido, posteriormente se explica la función de cada bloque y herramienta. La figura 5.12
muestra el panel frontal del programa, es decir la interfaz gráfica entre el usuario y el sistema y la
figura 5.13 muestra el diagrama a bloques donde se realizan las conexiones para que sean
posibles las operaciones entre bloques e indicadores. Note que algunos parámetros deben ser
proporcionados por los usuarios desde el panel frontal. Para entender la programación de Labview
podemos imaginarnos un tablero donde se tienen controles, perillas, indicadores, etc., esta parte
del tablero correspondería al panel frontal del programa y las conexiones de estos dispositivos se
encuentran en la parte trasera del tablero, esto sería el diagrama a bloques del programa.



En la figura 5.12 tenemos el panel frontal que es precisamente una de las innovaciones que
presenta éste software (Labview), la interfaz grafica entre el usuario y el sistema, desde aquí el
operador puede manipular las ganancias del controlador, la referencia o setpoint, así como la
visualización y sensado de algunos parámetros importantes del sistema. A continuación una
descripción a detalle de cada uno de los controles e indicadores que se encuentran en el panel
frontal del programa.

Ganancias del controlador PID. En los casilleros de esta ventana se escriben los valores de
ganancias para el controlador PID. En el panel frontal también se indica la forma en que debe
hacerse Kp (adimensional), Ti (en minutos) y Td (en minutos).

Rango de voltaje de salida. El rango de voltaje de salida del controlador depende del hardware
que se ésta utilizando para la adquisición de datos, en éste caso es la tarjeta NI- USB-6009, y los
valores son 0 V para el mínimo y 5 V para el máximo.

Simulación de Referencia o setpoint. Esta opción debe estar activada si se desea que la
referencia sea por software y para manipularla tenemos la perilla “Referencia (setpoint)”. En éste
programa existe la posibilidad de que la referencia sea una señal externa. Si se elige ésta segunda
opción, entonces “Simulación de Referencia o setpoint” debe estar deshabilitada y además realizar
la conexión de la señal en el canal AI0 (entrada analógica) de la tarjeta. Debajo de la perilla de
“referencia” se encuentra un indicador digital de la señal de referencia o setpoint.

Simulación de la variable de proceso. Si se desea simular la variable de proceso, entonces es
necesario activar la opción y manipular la señal con la perilla “Variable de proceso”.
En nuestro caso que queremos controlar el sistema de nivel de líquido la variable del proceso es el
nivel de líquido. Por lo tanto es necesario conectar el voltaje del sensor VS al canal AI1 (entrada
analógica) y la opción “Simulación de la variable de proceso” debe deshabilitarse.

Indicador “Tanque”. Labview tiene la facilidad de indicar de manera gráfica los parámetros que
son sensados. Prueba de ello es el tanque mostrado en el panel frontal del programa. Estas
herramientas representan una ventaja para el usuario del sistema, ya que el operador del sistema
al ver un tanque en la pantalla identifica que el tipo de sensado es un nivel de líquido. De igual
modo Labview tiene otro tipo de herramientas para representar presiones, temperaturas, etc.

Recuerde que las operaciones que se realizan con la señal del sensor antes de que la
señal sea conectada al tanque, son para dar una escala en litros al nivel de líquido.



Indicador Voltaje (debajo del tanque). Nos permite visualizar de manera gráfica el voltaje que el
sensor entrega a la computadora.

Indicador referencia (setpoint). Nos permite visualizar de manera gráfica el nivel al que se
encuentra la referencia o setpoint (voltaje).

Indicador voltaje de salida del motor. En este programa el voltaje del motor no es sensado, sino
que al voltaje de salida del controlador se le conecta un amplificador (por software) con la misma
ganancia que tiene el amplificador de potencia (los detalles del amplificador de potencia serán
explicados en la próxima sección) que está a la salida del tarjeta de adquisición de datos. Esto con
la finalidad de visualizar un valor de voltaje aproximado al suministrado a la bomba de agua.

Display Variable de proceso. Muestra el comportamiento de la variable de proceso sin importar
que ésta sea por software o hardware.

Display Referencia. Muestra el comportamiento de la referencia sin importar que ésta sea por
software o hardware.

Como podemos observar el panel frontal del programa tiene dos funciones: la primera es mostrar
los parámetros más importantes del sistema de nivel de líquido de manera gráfica, y la segunda es
recabar información para poner en práctica el control por computadora. Ahora, en el diagrama a
bloques podemos observar los controles e indicadores que se encuentran en el panel frontal, que
pueden ser fácilmente identificados por que tienen el mismo nombre que en el panel frontal. En el
diagrama a bloques observamos que los controles e indicadores están conectados a diferentes
bloques o herramientas y se realizan operaciones con los parámetros que fueron solicitados en el
panel frontal. A continuación se realiza una descripción de cada uno de los elementos del diagrama
a bloques del programa.

DAQ Assistant2. Este es un asistente que nos permite crear una tarea para que sea posible la
adquisición de datos. Puede ser configurado como entrada o salida dependiendo de la aplicación.
En este caso es utilizada como entrada para conectar la variable de proceso y la referencia (si es
que así se desea) a la tarjeta de adquisición de datos, y así, puedan ser registradas y procesadas
por el programa para realizar el control del sistema. Desde éste asistente la frecuencia de
muestreo puede ser variado por el programador. Para esta aplicación se propone una frecuencia
de muestreo de 1000 Hz.



Simulate signal. Permite crear una señal de cd virtual, es decir, es la simulación de la referencia al
sistema y es posible variar su magnitud con el control correspondiente.

Simulate signal2. Permite crear una señal de cd virtual para simular la variable de proceso. Es
posible variar la magnitud de ésta señal con el control correspondiente.

Simulación de referencia?. Es un control lógico, solo tiene dos posibles estados 0 y 1, y es
conectado a un “select”, si es 1 se simula la referencia, si es cero se adquiere la señal por la tarjeta
NI-USB-6009.

Simulación de variable de proceso?. Es un control lógico, solo tiene dos posibles estados 0 y 1,
y es conectado a un “select”, si es 1 se simula la variable de proceso, si es cero se adquiere la
señal por la tarjeta USB-6009.

PID-simple. Anteriormente se realizó una descripción detallada de ésta función, como podemos
observar en el diagrama a bloques se realizan las conexiones de rango de voltaje de salida,
referencia o setpoint y ganancias del controlador PID.

DAQ Assistant. Este es un asistente que nos permite crear una tarea para que sea posible la
adquisición de datos. Esta puede ser configurada como entrada o salida dependiendo de la
aplicación. En este caso es utilizada como salida para conectar la señal de control a un
amplificador de potencia, la señal de control es dada con la máxima frecuencia de muestreo de
salida 150Hz.

Por ultimo observamos que la señal de control es procesada para poder indicar el valor de
voltaje en el motor.

5.5 Acondicionamiento de la señal de control.

La señal de control analógica proporcionada por la tarjeta de adquisición de datos, es una
señal de voltaje que puede variar entre 0 y 5 Volts, debido a las características de la tarjeta. Sin
embargo, esta señal no tendrá la potencia necesaria para poner en funcionamiento la bomba de
agua de cd, por lo que se hace necesario conectar un amplificador de potencia a la señal de
control proporcionada por la tarjeta de adquisición de datos. En este caso el amplificador de
potencia es diseñado con 2 amplificadores operacionales y un transistor PNP. Es necesario
mencionar que la salida de voltaje del amplificador operacional no podrá ser mayor que la fuente



que los alimenta. La figura 5.14 muestra el circuito amplificador de potencia utilizado para el
acondicionamiento de la señal de control a la planta.

Figura 5.14. Diagrama eléctrico del amplificador de potencia.

El primer operacional es conectado en la configuración de amplificador inversor con una
ganancia ajustada a 1.8, y el segundo amplificador es conectado en la configuración seguidor con
una ganancia unitaria.



Capítulo 6
Resultados y conclusiones.



6.1 Resultados.

Durante el desarrollo de éste trabajo se presentó la construcción del sistema de nivel de
líquido, el diseño de algunos circuitos, el diseño del controlador PID con Labview, etc. Todo esto
con la finalidad de llevar a la práctica un control por computadora. La figura 6.1 muestra un
diagrama esquemático de todo el sistema de nivel líquido incluyendo la parte de control.

En el diagrama de la figura 6.1 se aprecia que la interfaz entre la computadora y el sistema es
la tarjeta de adquisición de datos NI-USB-6009. También se indica el flujo de la información en el
sistema, se especifica el acondicionamiento de las señales entre el sistema y la tarjeta de
adquisición de datos a través del circuito de instrumentación del sensor y el amplificador de
potencia. Ya que el sistema es montado como lo muestra la figura 6.1 y el programa en la
computadora está disponible para funcionar, es posible poner en práctica el control por
computadora para el sistema de nivel de líquido.

Figura 6.1.Diagrama esquemático del sistema de nivel líquido incluyendo la parte de control.

Las pruebas que determinan el éxito del control por computadora para el sistema de nivel de
líquido diseñado en éste trabajo son las siguientes:

1. Se realiza una prueba a lazo cerrado, para obtener la respuesta del sistema controlado. Esta
prueba se hace de la siguiente manera:



a. Se realizan las conexiones del sistema como en la figura 6.1.
b. El tanque 1 se encuentra a nivel mínimo (vacío).
c. La válvula de salida del tanque 1 permanece abierta de manera constante y es abierta al
75% de su capacidad.
d. La señal que entrega el sensor es monitoreada por computadora y es registrada en
“Display variable de proceso” del panel frontal del programa.
e. Se introducen las ganancias del controlador PID, que son las calculas en el capítulo 4, y
que está dadas por la ecuación (4-38).
f. Se indica el nivel deseado en el panel frontal del programa (setpoint o referencia). Se
propone una referencia de 2.44 volts. Note que la referencia es dada en voltaje, esto se
debe a que las pruebas a lazo abierto y las simulaciones se realizaron en voltaje, pero no
debemos olvidar que es posible modificar la señal de referencia para que el usuario la
introduzca en litros.
g. Se indican los parámetros necesarios para ejecutar el programa y finalmente se ejecuta.
h. Esperamos que el flujo de agua suministrado al tanque 1, sea igual al flujo que la válvula
permite pasar.

Note que la prueba es muy similar a la medición que se realizó para la obtención del modelo
matemático (a lazo abierto), pero la diferencia es que en el sistema a lazo cerrado se cuenta con
un controlador automático en el sistema. La señal del sensor medida por computadora es la
respuesta del sistema en lazo cerrado, y se presenta en la figura 6.2.

En el capítulo 4, se propusieron las especificaciones para el sistema en lazo cerrado:
ξ = 0.7 y un tiempo de establecimiento t s = 450 segundos, también se realizó la simulación del

control del sistema de nivel de líquido, la respuesta obtenida de dicha simulación es la figura 6.3,
observamos que esta respuesta tiene un tiempo de establecimiento aproximado de ts=450
segundos. La figura 6.2 es la respuesta práctica del sistema, presenta un tiempo de
establecimiento ts=510 segundos. Podemos notar que la simulación del sistema en lazo cerrado
(figura 6.3) y la respuesta obtenida de manera práctica (figura 6.2) tienen comportamiento diferente
en los primeros 400 segundos, esto se debe a la naturaleza y características del sistema. Si
comparamos la respuesta obtenida en simulación con la respuesta obtenida en la práctica se
observa que los valores obtenidos son muy aproximados, por lo tanto, podemos decir que el
sistema trabaja adecuadamente. La tabla 6-1 muestra la comparación de los resultados obtenidos.



Figura 6.2. Respuesta del sistema a lazo cerrado.

Tabla 6-1.Comparación de resultados obtenidos
Sistema lazo abierto Sistema lazo cerrado
Tiempo de coeficiente de Tiempo de coeficiente de
establecimiento amortiguamiento establecimiento amortiguamiento
(ts ) ξ (ts ) ξ
Simulación 570 seg. Sin máximo 450 seg. 0.7
sobreimpulso
Práctica 560 seg. Sin máximo 510 seg. Sin máximo
sobreimpulso sobreimpulso

Figura 6.3. Respuesta de la simulación del sistema a lazo cerrado.



2. Respuesta del sistema a una perturbación (práctica).

El objetivo de ésta prueba es observar el comportamiento del sistema cuando existe una
perturbación, es decir, cuando se presente un evento que trate de cambiar el comportamiento
normal del sistema, por tanto, la perturbación que se introducirá al sistema será la variación de flujo
de salida del tanque 1. Para realizar la segunda prueba al control del sistema de nivel de líquido,
se propone el siguiente procedimiento.

a. Se siguen los mismos pasos que en la prueba 1.
b. Esperamos el tiempo necesario para que el sistema se establezca, es decir, la respuesta
tiene un valor aproximado de 2.44 volts, que es la referencia del sistema.
c. Note que en las pruebas realizadas a lo largo de éste proyecto se ha mantenido el flujo de
salida del tanque constante. En ésta ocasión utilizaremos la válvula de salida de agua del
tanque como una perturbación. Entonces, una vez que el sistema se establece, se abre
totalmente la válvula de salida de agua aproximadamente 30 segundos y posteriormente
se regresa a su posición original (abierta al 75% de su capacidad).
d. Esperamos unos minutos y se observa el comportamiento del sistema.

Figura 6.4. Respuesta del sistema a una perturbación.

La respuesta obtenida de ésta prueba es la mostrada en la figura 6.4. La función principal del
control del sistema de nivel de líquido es mantener el nivel de líquido en el tanque en el punto
deseado. Entonces lo que se aprecia en la figura 6.4, es precisamente esto, cuando hay una



perturbación en el sistema, el controlador tratará de corregir ese error, hasta que finalmente el nivel
de líquido regresa nuevamente al punto deseado.

Para este sistema no fue posible realizar una simulación de ésta prueba, ya que para hacerlo
es necesario cuantificar el flujo de salida de la válvula del sistema, se considera que es suficiente
con obtener la respuesta mostrada en la figura 6.4, que demuestra cómo el controlador estará
siempre en disposición de corregir el error existente en el sistema, siempre y cuando éste dentro
de las posibilidades de la planta.

6.2 Conclusiones.

En éste trabajo se propone una solución para el problema de nivel de líquido por medio de
un control por computadora considerando un diseño analógico para dicho controlador
debido a la lenta dinámica del sistema.

Debido a que el entendimiento de los conceptos son más claros de manera práctica, con
éste trabajo, es posible explicar los conceptos básicos de control, algunos de ellos son
sistema en lazo abierto, sistema en lazo cerrado, funciones que desempeña un controlador
dentro de un sistema de control, adquisición de datos, modelado de un sistema, la
importancia de un sensor adecuado para un sistema de control.

Una aportación importante es la propuesta de construcción y diseño del elemento de
medición. Se considera que bajo el mismo principio de funcionamiento puede ser utilizado
perfectamente en un sistema industrial presentando buenos resultados y un ahorro
económico bastante considerable.

Se realizan 2 pruebas al sistema controlado. La primera es una comparación con una
simulación de la respuesta del sistema, donde además se observa que el sistema sigue
adecuadamente la referencia propuesta por el usuario.
La segunda prueba consiste en verificar la reacción del controlador respecto a una
perturbación al sistema. En éste experimento se observa que el sistema rechaza
adecuadamente la perturbación. En la medición podemos ver claramente como el
sistema trata de recuperar nuevamente la referencia dentro de las posibilidades del
mismo sistema.
En ambas pruebas se obtienen resultados satisfactorios.

En la actualidad se hace necesaria la utilización de un control por computadora así como el
uso de herramientas poderosas para la adquisición de datos. La utilización de hardware y



software utilizados en éste proyecto tienen muchas ventajas sobre otros sistemas.
Simplemente, la posibilidad de visualización del comportamiento del sistema desde
cualquier computadora (que cumpla con las características de conexión de red) representa
ahorro de tiempo y gastos. No debemos olvidar que la generación de informes sobre el
comportamiento de los procesos también tiene una gran importancia por que así será muy
fácil detectar fallas y/o deficiencias en el sistema.

La tarjeta de adquisición de datos utilizada en éste proyecto es económica, fácil de utilizar
y a pesar que es una tarjeta que solamente es para uso escolar cuenta con características
muy interesantes para ser explotadas con proyectos que impliquen monitoreo de señales y
control a sistemas. La tarjeta también cuenta con la posibilidad de monitorear más de 2
variables en forma analógica y/o digital y al mismo tiempo.

6.3 Perspectivas.

Un seguimiento de este trabajo para el estudio de controladores eficientes para sistemas
de nivel de líquido sería la utilización de controladores por computadora pero diseñados
digitalmente, es decir, utilizar una metodología de diseño donde se involucre el tiempo de
muestreo del sistema de adquisición de datos en la dinámica del sistema. Ya que debemos
recordar que también existen sistemas de nivel de líquido con dinámicas más rápidas que
el sistema propuesto en éste trabajo y que por lo tanto requerirán un diseño digital.

Otra faceta de estudio de éste tipo de sistemas es la interacción entre dos o más tanques.
Esto implicara trabajar con sistemas de 2do. orden si son dos tanques, de 3er. orden si son
tres tanques y así sucesivamente. De éste modo, cada tanque tiene una dinámica similar a
la presentada en este proyecto. Este tipo de sistemas es muy común encontrarlos en la
industria química.

Se propone éste trabajo como una práctica para la materias Modelado y diseño de
controlador para señales y sistemas e Implementación para adquisición de datos, de la
carrera de Ingeniería de Comunicaciones y Electrónica, de la ESIME.

Otro trabajo que podría derivarse del proyecto desarrollado en éste trabajo podría ser el
estudio del sistema pero utilizando otro tipo de líquido, es decir, donde las características
sean diferentes a las del agua ya que en éste proyecto se trabajo únicamente con agua.
Seguramente el cambio de las características en el líquido y/o sólido a medir cambiará la
dinámica del sistema y probablemente implicaría algunos cambios para diseño de un
controlador eficiente.



BIBLIOGRAFÍA

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Society of America, 1995.

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www.geocities/collegepark.

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[7] Koivo, H. N. and Tanttu, J. T. Tuning of PID controllers: Survey of SISO and MIMO
techniques. Intelligent Tuning and Adaptive Control, Selected papers from the IFAC
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1995.

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Springer-Verlag, 1989.

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[16] Cox J.B. et al., A practical spectrum of DDC chemical-process control algorithms. ISA
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Wiley and Sons, 1989.

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ICE, Septiembre 2003.
[19] National Instruments Corporation. User guide USB-6008/6009. 2004



APENDICE A.

La NI USB-6008/6009 proporciona conexión para ocho canales de entrada analógica (AI), dos
canales con salidas analógicas (AO), 12 canales con entradas/salidas digitales (DIO), y un
contador de 32-bit cuando la interfase USB es usada a la máxima velocidad.

Característica USB-6008 USB-6009
(AI) Resolución 12 bits diferenciales 14 bits diferenciales
11 bits Simple 13 bits simple
Muestreo máximo (AI)* 10kS/s 48kS/s
Configuración DIO Open drain Open drain or Push pull
*Depende del sistema
Tabla 1. Diferencias entre USB-6008 Y USB-6009

Figura 1. USB-6008/6009

Figura 2. Vista trasera USB-6008/6009

Medidas de Seguridad.

No sustituir partes o modificar el dispositivo. Sólo usar el dispositivo con el chasis,
módulos, accesorios, y los cables especificados en las instrucciones de la instalación.
El dispositivo debe tener todas las tapas y los tableros del relleno instalados durante el
funcionamiento del dispositivo.
No opere el dispositivo en una atmósfera explosiva o donde haya gases inflamables o
humos. Si usted debe operar el dispositivo en semejante ambiente, debe estar en un
cercamiento adecuado.
Para limpiar el dispositivo, usar una tela seca.
Asegúrese que el dispositivo este completamente seco y libre de contaminantes antes de
ponerlo en operación.



Sólo opere el dispositivo a o debajo de Polución Grado 2. La polución es una materia
extranjera en estado sólido, líquido, o gaseoso que puede reducir fuerza dieléctrica o
resistividad de la superficie.
Aislar conexiones señaladas para el voltaje máximo para lo cual el dispositivo es diseñado.
No exceder los valores del máximo para el dispositivo.
No instalar cables de conexión mientras el dispositivo está conectado con señales
eléctricas.
No quite o agregue el bloque conector cuando el sistema está conectado.
Evite contacto entre su cuerpo y el bloque conector, cuando éste se caliente es necesario
cambiar los módulos Quite la alimentación de las líneas de señal antes de conectarlas o
desconectarlas al dispositivo.

Software

El software de soporte para los USB-6008/6009 es proporcionado por NI-DAQmx Base, qué es un
subconjunto del NI-DAQmx API.

Registro de la Aplicación.

La Base de NI-DAQmx incluye un software listo a ejecutar que permite tomar medidas de los datos
sin programar primero. La aplicación está disponible en Start"All Programs"National
Instruments"NI-DAQmx Base"Datalogging.

Prueba de la Tarjeta USB-6009.

La Base de NI-DAQmx incluye un ejemplo de tablero de mando interactivo que puede ser utilizado
para verificar el funcionamiento de los USB-6008/6009. La aplicación es localizado en Start"All
Programs"National Instruments"NI-DAQmxBase"Examples.

Hardware

La figura 3 es un diagrama a bloques que muestra los componentes funcionales del USB-
6008/6009.

Figura 3. Diagrama a bloques deL USB-6008/6009.



Preparación del Hardware

Complete los pasos siguientes para preparar el hardware:

1. Instalar los bloques terminales insertándolos en los jacks del USB-6008/6009.
Nota: El kit USB-6008/6009 también contiene etiquetas con signos. Se puede adherir las etiquetas
en los tornillos de los bloques terminales para facilitar la identificación de las señales.

2. Observar la Tabla 2 y Figura 4 para la orientación de la etiqueta y adhiéralas de tal modo las
etiquetas señalen al tornillos de los bloques terminales.

Figura 4. Diagrama de etiquetado de señales.

Nota Una vez etiquetados los tornillos de los bloques terminales, es necesario insertarlos sólo en
los jacks terminales del dispositivo USB-6008/6009 como indicado por la etiqueta de la cubierta.

Conectar los alambres a las terminales del tornillo apropiado.

Conector I/O

Las USB-6008/6009 tienen un bloque terminal intercambiable para señales analógicas y un bloque
terminal intercambiable para las señales digitales.
Estos bloques terminales proporcionan 16 conexiones a las que acostumbran conectar 16
alambres de 28 AWG



Tabla 2. Lista de las asignaciones de terminales analógicas.



Tabla 3. Lista de las asignaciones de terminales digitales



Descripción de las señales.

En la tabla 4 se describe las señales disponibles en los conectores de I/O.

Nombre de la Referencia Dirección Descripción
señal
GND — — Tierra—El punto de referencia para
las medidas simples de AI, el punto
del retorno de corriente para las
medidas de modo de diferencial,
voltajes de AO, señales digitales del
conector de I/O, +5 VDC, y de +2.5
VCD de referencia.
AI <0..7> Varia Entrada Canales de entrada analógica de 0 a
7— Para medidas simples, cada
señal es un canal de voltaje de
entrada analógico. Para las medidas
del diferencial, AI 0 y AI 4 son las
entradas positiva y negativa del canal
de entrada diferencial de entrada
analógica 0. Los siguientes pares de
señal también son canales de entrada
diferencial:
<AI 1, AI 5>, <AI 2, AI 6>, y <AI 3, AI
7>.
AO 0 GND Salida Canal 0 de salida analogica —
Suministra el voltaje de salida del
canal 0 de AO.

AO 1 GND Salida Canal 1 de salida analogica —
Suministra el voltaje de salida del
canal 1 de AO.

P1.<0..3> GND Entrada o Senales Digitales I/O—Se pueden
P0.<0..7> salida configurar individualmente cada señal
como entrada o salida.
+2.5 V GND Salida +2.5 V Referencia Externa —
Mantiene una referencia para la
prueba wrap – back
+5 V GND Salida +5 V Power Source—Mantiene +5 V
con 200 mA.

PFI 0 GND Entrada PFI 0— Este pin es configurable como
cualquier trigger digital o un evento
con entrada de contador.

Tabla 4. Descripción de las señales disponibles en los conectores de I/O.



Entrada Analógica.

Usted puede conectar la señal de entrada analógica a los USB-6008/6009 a través del conector de
I/O. La Tabla 4 brinda más información sobre conectar señales de entrada analógica.

Circuito de la Entrada analógica

Figura 5. Circuito de la Entrada analógica de los USB-6008/6009.

MUX

El USB 6008/6009 tiene un convertidor analógico-a-digital (ADC). El multiplexor (MUX) dirige un
canal AI (entrada analógica) al momento del PGA.

PGA

El amplificador programable-ganancia proporciona ganancias de la entrada de 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16,
o 20 cuando se configura para las medidas diferenciales y ganancia de 1 cuando se configura para
medidas simples. La ganancia de PGA se calcula automáticamente basándose en el rango de
voltaje seleccionado en la aplicación de la medida.

Convertidor A/D

El convertidor analógico-a-digital (ADC) digitaliza las señales AI (entrada analógica) convirtiendo el
voltaje analógico en un código digital.

AI FIFO

Los USB-6008/6009 pueden realizar ambas conversiones simple y múltiple A/D de un número fijo o
infinito de muestras. El buffer FIFO (primero-entrada-primero-salida) sostiene datos durante las
adquisiciones de AI (entrada analógica) asegurando que ningún dato está perdido.

Modos de la entrada analógica

Se pueden configurar los canales de AI (entrada analógica) en los USB-6008/6009 tomando
medidas simples o diferenciales. Observar la Tabla 4 para más información sobre las conexiones
de I/O para medidas simples o diferenciales.



Conexión de señales diferencales de voltaje.

Para las señales diferenciales, conecte la terminal positiva de la señal a AI+, y la terminal negativa
al AI-.

Figura 6. Conexión de la señal diferencial de voltaje.

El modo de entrada de señal diferencial puede medir ±20 V y entre el rango del ±20 V. Sin
embargo, el voltaje del máximo en cualquier pin es ±10 V con respecto a GND. Por ejemplo, si AI 1
es +10 V y AI 5 es -10 V, entonces la medida dada por el dispositivo es +20 V.

Figura 7. Ejemplo de una medición diferencial 20 V

Una conexión de una señal mayor que ±10 V en cualquier pin produce un rendimiento limitado,
observar la figura 8.

Figura 8. Excediendo el voltaje en AI con +10 V se produce un rendimiento limitado.



Conexión de la referencia de las señales de voltaje simples.

Para conectar la referencia de la señal de voltaje simple (RSE) a los USB-6008/6009, conecte la
terminal positiva de la señal a AI deseado, y la tierra de la señal a un término de GND, como en la
figura 9.

Figura 9. Conexión de un voltaje simple.

Digital Trigger

Cuando una tarea de AI (entrada analógica) es definida, usted puede configurar PFI 0 como una
entrada del trigger digital. Cuando el trigger digital se habilita, las tareas de AI (entrada analógica)
esperan por un borde creciente en PFI 0 antes de empezar la adquisición. Para usar ai/Start
Trigger con una fuente digital, especifique PFI 0 como la fuente y seleccione el borde de la subida.

Salida Analogica

Los USB-6008/6009 tienen dos canales de AO (Salida analógica) independientes que pueden
generar salidas de 0-5V. Todas las actualizaciones de líneas de AO son por un cronómetro por
software.

Circuitería de la salida analógica.

La figura 10 ilustra el circuito de la salida analógica para los USB-6008/6009.

Figura 10. Circuitería de la salida analógica

DACs

Convertidor digital-analógico (DACs), convierte los códigos digitales a voltajes analógicos.



Conexión de cargas a la salidas analógicas.

Para conectar cargas a los USB-6008/6009, conecte la terminal positiva de la carga a AO, y
conecte la tierra de la carga a un término de GND, como en la figura 11.

Figura 11. Conexión de cargas.

Minimización de ruido en la señal de salida

Cuando se usa un DAC para generar una forma de onda, se pueden observar ruido en la señal de
salida. Este ruido es normal cuando un DAQ cambia de un voltaje a otro, produce ruido debido a
los cambios. Las variaciones de voltaje o ruido más grandes ocurren cuando el bit más significativo
de los DAC sufre un cambio. Se puede construir un filtro pasa-bajas para quitar algunos de estas
anomalías de la señal, esto depende de la frecuencia y naturaleza de la señal de salida.

Digital I/O

Los USB-6008/6009 tienen 12 líneas digitales, P0.<0 ..7> y P1.<0 ..3>, que comprende el puerto
de DIO. GND es la tierra-referencia de la señal para el puerto de DIO. Usted puede programar
todas las líneas individualmente como entradas o salidas.

Cicuitería de Digital I/O

La Figura 12 muestra P0.<0 ..7> un ejemplo de conexión de la señales configuradas como
entradas y salidas digitales. Se pueden configurar P1.<0 ..3> de manera similar.

Figura 12. Ejemplo de conexión de carga.



Precaución Excediendo el máximo valor de voltaje de entrada o salida que se listan en las
especificaciones puede dañar al dispositivo de DAQ y la computadora.

Información Source/Sink

La configuración predefinida de los puertos de DIO es open-drain y permite 5V en funcionamiento,
con una resistencia pull-up de 4.7 k. Externamente el usuario puede adicionar una resistencia de
pull-up para aumentar la fuente de corriente al límite 8.5mA por línea como lo mostrado en Figura
13.

Figura 13. Ejemplo de una conexión externa una resistencia pull-up

Los pasos siguientes son para determinar el valor de la resistencia pull-up:

1. Colocar un amperímetro en serie con la carga.
2. Colocar una resistencia variable entre la línea de la salida digital y los +5 V.
3. Ajustar la resistencia variable hasta que la corriente del amperímetro lea la corriente deseada.
La corriente deseada debe ser menor de 8.5 mA.
4. Retirar el amperímetro y la resistencia variable del circuito.
5. Medir el valor de resistencia de la resistencia variable. El valor de la resistencia variable es el
valor ideal de la resistencia pull-up.
6. Seleccione un valor de la resistencia estático para su resistencia pull-up que es mayor o igual a
la resistencia ideal.
7. Conecte el circuito de carga y la resistencia pull-up.

Protección I/O .

Para proteger los USB-6008/6009 contra condiciones de bajos voltajes, sobre voltajes, y sobre
corrientes, se deben evitar las siguientes condiciones, siguiendo los siguientes pasos:

• Si se configura una línea de DIO como salida, no conectarlo a cualquier fuente de señal
externa, señal de tierra, o suministro de poder.
• Si se configura una línea de DIO como una salida, verificar los requisitos de corriente de la
carga conectada a esta señal. No exceder la especificación límite de corriente del
dispositivo de DAQ.
• Si se configura una línea de DIO como una entrada, no maneje la línea con voltajes fuera
de su rango de operación normal. Las líneas de DIO tienen un rango de operación más
pequeño que las señales de AI (entrada analógica).
• Utilizar el dispositivo de DAQ como cualquier dispositivo sensible estático.



Estados Power-On

A la activación y reseteo del sistema, el hardware pone todas las líneas de DIO a las entradas de
alta -impedancia. El dispositivo de DAQ no maneja la señal alto o bajo. Cada línea tiene una
resistencia pull-up débil conectada a él.

DIO Estático

Cada una de las líneas de DIO de los USB-6008/6009 puede usarse como una línea DI o DO
estática. Se pueden usar la líneas DIO para supervisar o controlar las señales digitales. Todas las
muestras de las líneas DI estáticas y actualizaciones de las líneas DO se cronometran por
software.

Contador de eventos.

Es posible configurar PFI 0 como una fuente para una tarea de entrada contadora. En este modo,
se cuentan eventos usando a un contador de 32-bit.

Referencia y funtes de poder

Los USB-6008/6009 crean una referencia externa y suministra una fuente de poder.

+2.5 Referencias externas.

Los USB-6008/6009 crean el suministro de voltaje de referencia de un alto-puro para el ADC que
usa un regulador del multi-estado, amplificador, y un circuito de filtro. El resultando +2.5 V voltaje
de referencia que puede usarse como una señal para la misma prueba.

+5 V Fuente

Los USB-6008/6009 suministran 5 V, 200 mA de salida. Esta fuente puede usarse para alimentar
componentes externos.

Nota. Mientras el dispositivo USB está deshabilitado, salida es nula.

Especificaciones.

Las siguientes especificaciones son típicas a 25 °C, a menos que se indique algo diferente.

Entrada Analógica
Tipo de convertidor........................................ Aproximaciones sucesivas
Entradas Analógicas ......................................... 8 simples/4 diferenciales.

software seleccionable

Resolución de entrada
USB-6008 ....................................... 12 bits diferencial,
11 bits simple
USB-6009 ....................................... 14 bits diferencial,
13 bits simple

Máximo muestreo



USB-6008 ....................................... 10 kS/s
USB-6009 ....................................... 48 kS/s
AI FIFO.................................................. 512 bytes
Resolution de cronómetro ................................... 41.67 ns (24 MHz timebase)
Exactitud de cronómetro..................................... 100 ppm de proporción de la muestra real
Rango de entrada
Simple ................................... ±10 V
Diferencial...................................... ±20 V, ±10 V, ±5 V, ±4 V,
±2.5 V, ±2 V, ±1.25 V, ±1 V
Voltage de trabajo..................................... ±10 V
Impedancia de entrada..................................... 144 k
Protección de sobrevoltaje ........................... ±35
Fuente Trigger .........................................Software o externo digital trigger
Ruido del sistema ...........................................0.3 LSB rms (±10 V range)

La exactitud absoluta a escala completa simple, se muestra en la Tabla 5.

Tabla 5.Exactitud absoluta a escala completa (simple).

La exactitud absoluta a escala completa, diferencial, se muestra en la Tabla 6.

Tabla 6. Exactitud absoluta a escala completa (diferencial).

Salida analógica

Tipo de convertidor ........................................Aproximaciones sucesivas
Salidas analógicas........................................2
Resolución de salida ....................................12 bits
Máxima actualización de muestra .............................150 Hz, software-cronómetro
Rango de salida ...........................................0 a +5 V
Impedancia de salida...................................50Ω
Manejo de corriente de salida................................5 mA
Estado Power-on ........................................0 V



Slew rate................................................. 1 V/μs
Corriente a corto circuito ............................... 50 mA
Exactitud absoluta (sin carga) .................. 7 mV típico, 36.4 mV máximoa escala completa

Digital I/O

Digital I/O
P0.<0..7>......................................... 8 líneas
PI.<0..3> ......................................... 4 líneas
Dirección de control .................................... Cada canal es individualmente programable como
entrada o salida

Tipo de manejo de salida
USB-6008 .......................................Open-drain
USB-6009 ....................................... Cada canal es individualmente programable como push-
pull o open-drain
Compatibilidad ......................................... TTL, LVTTL, CMOS
Rango de voltaje máximo absoluto ......... –0.5 a 5.8 V con respecto a GND
Resistencia Pull-up ....................................... 4.7 k para 5 V
Estado Power-on ........................................ Entrada (alta impedancia)

Los niveles lógicos digitales, se pueden consultar con detalle en la Tabla 7.

Tabla 7. Niveles lógicos digitales.

Voltaje externo
+5 V salida (200 mA máximo) .......... +5 V típico, +4.85 V mínimo
+2.5 V salida (1 mA máximo) ........... +2.5 V típico
+2.5 V ......................................0.25% max

Contador
Número de contadores ................................1
Resolución...............................................32 bits
Resistencia Pull-up ........................................4.7 kpara 5 V
Máxima frecuencia de entrada.....................5 MHz
Ancho mínimo de pulso alto.....................100 ns
Ancho mínimo de pulso bajo......................100 ns
Voltaje alto de entrada ...................................2.0 V
Voltaje bajo de entrada....................................0.8 V

Bus de Interface
Especificación USB ...................................USB 2.0 full-speed
Velocidad de bus USB ........................................12 Mb/s



Requerimientos de alimentación

USB
4.10 para 5.25 VDC.............................80 mA típico, 500 mA max
USB suspendido ...................................300 μA típico, 500 μA max

Características físicas

Dimensiones
Sin conectores..........................6.35 cm x 8.51 cm x 2.31 cm
(2.50 pulgadas x 3.35 pulgadas x 0.91 pulgadas)
Con conectores...............................8.18 cm x 8.51 cm x 2.31 cm
(3.22 pulgadas x 3.35pulgadas x 0.91 pulgadas.)
I/O Conectores ........................................USB enchufe serie B ,

(2) bloques con 16 terminales
Peso
Con conectores .............................. 84 g (3 oz)
Sin conectores ......................... 54 g (21 oz)
Alambre para terminales........................... 16 de 28 AWG
Torque para los términos del tornillo .................... 0.22 a 0.25 N · m

Situaciones peligrosas

Los USB-6008/6009 no son certificados para el uso en situaciones arriesgadas.

Medioambiente

El dispositivo USB-6008/6009 esta diseñado para uso interior.
Temperatura de operación
(IEC 60068-2-1 y IEC 60068-2-2)... ...0 a 55 °C

Rango de Humedad en operación
(IEC 60068-2-56)................................. ..10 a 90% RH, sin condensación,

Altitud máxima................................. ..2,000 m (a 25°C ambiente temperatura)

Temperatura de almacenamiento.
(IEC 60068-2-1 and IEC 60068-2-2)......–40 a 85 °C

Humedad de almacenamiento
(IEC 60068-2-56) ..................................5 a 90% RH, sin condensación
Grado de polución (IEC 60664) ................2

Compatibilidad electromagnética.

Los USB-6008/6009 pueden experimentar variaciones temporales en lecturas de la entrada
analógica, cuando es expuesta a señales de radió y RF. El dispositivo regresa al funcionamiento
normal después de que la exposición de RF es alejada. [19]


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