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Festo Didactic

548606 es

Robotino®

Manual de trabajo

Con CD-ROM

Utilización prevista y convenida

El sistema de robot móvil Robotino® ha sido desarrollado y producido con el único propósito de la formación

y el perfeccionamiento profesional en materia de automatización y tecnología. La entidad que imparte la

enseñanza y/o el estudiante deberán velar por el cumplimiento de las medidas de seguridad indicadas en el

presente manual.

Festo Didactic excluye cualquier responsabilidad por daños ocasionados a los estudiantes, a la entidad que

imparte la enseñanza o a terceros debido a la utilización de los equipos sin fines exclusivos de enseñanza.

Esta exclusión no se aplica si Festo Didactic ocasiona este tipo de daños de modo premeditado o con

extrema negligencia.

Referencia: 548606

Actualización: 08/2011

Autores: Monika Bliesener, Ralph-Christoph Weber, Ulrich Karras, Dirk Zitzmann,

Thomas Kathmann

Gráficos: Doris Schwarzenberger

Layout: 11/2011

© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, Alemania, 2013

Internet: www.festo-didactic.com

e-mail: [email protected]

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tiempo, aunque limitado geográficamente a la utilización en su lugar / su sede.

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de su empresa, así como el derecho de copiar partes del contenido con el propósito de crear material

didáctico propio a utilizar durante los cursos de capacitación de sus empleados localmente en su propia

empresa, aunque siempre indicando la fuente. En el caso de escuelas / universidades y centros de

formación profesional, el derecho de utilización aquí definido también se aplica a los escolares,

participantes en cursos y estudiantes de la institución receptora.

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Internet o en plataformas LMS y bases de datos (por ejemplo, Moodle), que permitirían el acceso a una

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y explícita de Festo Didactic GmbH & Co. KG.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 III

Índice

1 Robotino® – un sistema para la enseñanza en materia de robótica móvil y

tecnología de la automatización _____________________________________________________ VII

1.1 Aplicaciones de robots móviles ______________________________________________________ VIII

1.2 Tareas en la industria ________________________________________________________________X

2 El sistema para la enseñanza Robotino® ________________________________________________ XI

2.1 Grupos objetivo y temas_____________________________________________________________ XI

2.2 El Robotino® es interesante __________________________________________________________ XI

2.3 Estudiar mediante experimentos _____________________________________________________ XII

2.4 Tareas __________________________________________________________________________ XIII

2.5 Temas y contenidos _______________________________________________________________ XIII

2.6 Objetivos didácticos _______________________________________________________________ XIII

3 Una forma diferente de impartir clases ________________________________________________ XV

3.1 Temas __________________________________________________________________________ XV

3.2 Aprender experimentando __________________________________________________________ XV

3.3 Ventajas para el estudiante _________________________________________________________ XV

3.4 Ventajas para el instructor / el centro de estudios _______________________________________ XVI

3.5 Funciones asumidas por el instructor _________________________________________________ XVI

3.6 Métodos. Sugerencias para el instructor _____________________________________________ XVII

3.6.1 Otros ejemplos __________________________________________________________________ XVIII

3.7 Formas sociales _________________________________________________________________ XVIII

3.8 Control a distancia del Robotino® en clase ____________________________________________ XVIII

Ejercicios y soluciones

Proyecto 1

Revisión del material y puesta en funcionamiento de Robotino® ____________________________________ 1

Proyecto 2

Movimiento lineal de un robot móvil en sentidos indistintos _______________________________________ 5

Proyecto 3

Movimiento lineal y posicionamiento de un robot ______________________________________________ 27

Proyecto 4

Movimiento guiado de un sistema de transporte sin conductor con dos sensores de reflexión directa ____ 35

Proyecto 5

Aproximación precisa a una estación de carga _________________________________________________ 47

Proyecto 6

Aproximación a un obstáculo y mantener una distancia definida __________________________________ 59

Proyecto 7

Giro alrededor de una estación y aproximación a diversas posiciones de entrega ____________________ 63

IV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

Proyecto 8

Movimiento guiado de un sistema de transporte sin conductor con unsensor analógico inductivo _______ 67

Proyecto 9

Determinación del movimiento óptimo _______________________________________________________ 79

Proyecto 10

Movimiento guiado de un sistema de transporte sin conductor con una webcam ____________________ 93

Proyecto 11

Búsqueda de un objeto de color. Aproximación controlada con una webcam _______________________ 101

Importante

Las tareas a resolver en los proyectos y las soluciones suponen la utilización de la versión 2.8 de

Robotino® View.

Tareas

Proyecto 1


Proyecto 2


Proyecto 3


Proyecto 4


Proyecto 5


Proyecto 6


Proyecto 7


Proyecto 8

Movimiento guiado de un sistema de transporte sin conductor con un sensor analógico inductivo ______ 65

Proyecto 9


Proyecto 10


Proyecto 11

Búsqueda de un objeto de color. Aproximación controlada con una webcam ________________________ 91

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Teoría

1 Regulación/Regulador PID __________________________________________________________ I-3

1.1 ¿Qué es la técnica de regulación? ____________________________________________________ I-3

1.1.1 Técnica de control/Técnica de regulación ______________________________________________ I-3

1.1.2 Conceptos básicos de la técnica de regulación __________________________________________ I-4

1.2 Descripción del comportamiento de un tramo de regulación en función del tiempo ____________ I-9

1.3 Regulador ______________________________________________________________________ I-10

1.3.1 Regulador proporcional ___________________________________________________________ I-10

1.3.2 Regulador integral _______________________________________________________________ I-12

1.3.3 Regulador diferencial _____________________________________________________________ I-13

1.3.4 Reguladores combinados __________________________________________________________ I-14

1.3.5 Estructuración y parametrización de reguladores ______________________________________ I-16

2 Sistemas parciales de robots: actuadores ____________________________________________ I-19

2.1 Informaciones generales sobre robots omnidireccionales ________________________________ I-19

2.2 Ruedas omnidireccionales _________________________________________________________ I-20

2.3 Libertad de movimiento de un sistema en un espacio ___________________________________ I-23

2.3.1 Grados de libertad _______________________________________________________________ I-23

2.3.2 Sistema de coordenadas __________________________________________________________ I-23

2.3.3 Movimientos de cuerpos __________________________________________________________ I-25

2.4 Accionamiento de un actuador omnidireccional ________________________________________ I-26

2.4.1 Accionamiento y sentido del movimiento _____________________________________________ I-27

2.4.2 Accionamiento de los tres motores de Robotino® ______________________________________ I-28

3 Línea característica _______________________________________________________________ I-31

3.1 Obtención de una línea característica ________________________________________________ I-31

3.2 Linealización de una línea característica ______________________________________________ I-31

4 Detectores de rayos infrarrojos _____________________________________________________ I-33

4.1 Los detectores de rayos infrarrojos en Robotino® View __________________________________ I-34

5 Detectores de posición ópticos _____________________________________________________ I-35

5.1 Construcción de detectores ópticos _________________________________________________ I-35

5.2 Reserva de funcionamiento de detectores ópticos ______________________________________ I-36

5.3 Características técnicas ___________________________________________________________ I-37

5.4 Indicaciones para la utilización _____________________________________________________ I-38

5.5 Exclusión de luz de fondo en el caso de un detector de reflexión directa ____________________ I-39

5.6 Ajuste de la sensibilidad __________________________________________________________ I-39

5.7 Comportamiento del detector de reflexión directa al detectar objetos de reflexión especular ___ I-40

5.8 Ejemplos de aplicaciones __________________________________________________________ I-41

5.9 Detectores ópticos con fibra óptica __________________________________________________ I-41

5.9.1 Indicaciones para la utilización _____________________________________________________ I-42

5.9.2 Ejemplos de aplicaciones __________________________________________________________ I-43

VI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

6 Detectores inductivos _____________________________________________________________ I-45

6.1 Funcionamiento _________________________________________________________________ I-45

6.2 Aplicaciones ____________________________________________________________________ I-45

7 L istón protector, detección de colisiones ______________________________________________ I-46


7.2 Aplicaciones ____________________________________________________________________ I-46

7.3 El listón protector en Robotino® View ________________________________________________ I-46

8 Webcam ________________________________________________________________________ I-47

9 Ventajas didácticas de Robotino® en la formación profesional moderna ____________________ I-48

9.1 Metas de la formación profesional moderna ___________________________________________ I-48

9.2 El sistema para la enseñanza Robotino® como parte integrante

de una formación profesional moderna ______________________________________________ I-48

9.3 Conclusiones ____________________________________________________________________ I-50

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 VII

1 Robotino® – un sistema para la enseñanza en materia de robótica móvil y

tecnología de la automatización

Los robots móviles responden a órdenes dadas por voz, son capaces de detectar objetos según criterios

tridimensionales y pueden localizar objetos.

Hasta la actualidad, los sistemas de robots eran estacionarios. Los robots móviles constituyen el siguiente

paso de desarrollo en materia de robótica. Los sistemas móviles pueden ejecutar las mismas tareas que sus

antecesores estacionarios, pero, además, son capaces de desplazarse de un lugar a otro.

De esta manera se cumplen las condiciones necesarias para la realización de un sinnúmero de tareas

adicionales.

El robot Sojourner, que con la sonda Pathfinder llegó hasta Marte, copó los titulares de los medios de

comunicación. Este proyecto de la NASA ha demostrado la importancia que tienen los sistemas de control

de movimientos de los robots móviles. En el caso de la Pathfinder, fue considerado un gran éxito que el

robot lograse alejarse 10 centímetros de la cápsula espacial.

Pero los robots móviles también son útiles en otras aplicaciones. Estos robots permiten explorar

científicamente sistemas de canalización, mundos subacuáticos y volcanes, es decir, lugares de difícil

acceso para el ser humano.

Robotino® – un sistema para la enseñanza en materia de robótica móvil y tecnología de la automatización

VIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

1.1 Aplicaciones de robots móviles

El estudio de la robótica móvil y el desarrollo de las unidades respectivas se explica en buena parte por la

necesidad o el deseo de utilizar robots para que ayuden a las personas en su trabajo diario y en su entorno

cotidiano. Estos autómatas se utilizan en oficinas, hospitales, museos, bibliotecas, supermercados,

instalaciones deportivas (p.ej. para cortar el césped), salas de exposición, aeropuertos, estaciones de tren,

universidades, escuelas y, en un futuro no muy lejano, también en los hogares.

Para personas discapacitadas o de edad avanzada, un medio de transporte significa disfrutar de una mayor

libertad de movimiento e independencia. En estos medios, los sistemas de orientación, navegación,

detección y elusión de obstáculos tienen mucha importancia.

El centro de investigación de sistemas automatizados de Karlsruhe, desarrolló un robot de servicios móviles

llamado James. Igual que sus congéneres, Stan y Ollie, es capaz de planificar y ejecutar de modo

independiente las órdenes que recibe desde una estación central. Diversos detectores y sensores, entre

ellos un escáner de rayos láser, detectores de distancias mediante ultrasonido y cámaras, pueden detectar

el entorno para que el robot reaccione de modo apropiado para esquivar obstáculos según diversas

alternativas. La planificación y ejecución de esta tarea se realiza en función de un programa de software

especialmente redactado con ese propósito. Las ruedas del robot permiten ejecutar movimientos en

cualquier sentido.

Si estos robots disponen de las informaciones necesarias, como, por ejemplo, el plano de un edificio, son

capaces de llevar a cabo trabajos de mensajería de modo independiente. Este tipo de robot se utiliza, por

ejemplo, en hospitales o en grandes hoteles. En estos lugares, pueden transportar solos la ropa de cama y

las toallas hacia la lavandería o, también, pueden repartir la comida. También es posible que limpien el

suelo de modo independiente.

En los museos también se utilizan robots móviles para que hagan las veces de guardianes, función que

asumen con mucha eficiencia, ya que son pequeños, no son visibles en la oscuridad, y trabajan de modo

rápido y silencioso. En este caso, están dotados de detectores de calor o de movimientos, para detectar de

inmediato cualquier intruso y activar la alarma.


© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 IX

La domótica "¿Qué puedo hacer por usted?" El trabajo concluye al acabarse la

batería

Tokio (AP). Aunque sus movimientos

aún son algo torpes y lentos y su voz es

más bien monótona, reaccionando al

mando a distancia se dirige

obedientemente hacia la ventana o nos

trae algo de beber. Es posible que

dentro de algunos años, el robot HRP-2,

desarrollado por un laboratorio de

investigación científica japonés, se haya

transformado en un solícito

mayordomo.

Los robots que llevan el nombre Promet,

son producto del trabajo de desarrollo

llevado a cabo por el Instituto nacional

de Ciencias Industriales Avanzadas.

Estos robots reaccionan a órdenes

emitidas de viva voz, son capaces de

detectar piezas según criterios

tridimensionales y pueden localizarlas

mediante sensores de luz infrarroja.

"Esperamos que puedan llegar a ser

algo así como animales domésticos

capaces de ayudar al ser humano",

explica Isao Hara, director del Instituto

con sede en Tsukuba, al noreste de

Tokio, refiriéndose a los dos robots

metálicos de color azul. "Creo que

pueden colaborar con el ser humano.

Ahora estamos estudiando la

posibilidad de integrarlos en la

sociedad humana."

Hara llama a su robot: "¡Ven aquí!" Y el

robot responde "¿Qué puedo hacer por

usted?". Si se le pide que ponga en

funcionamiento el televisor, el robot

responde: "Conectaré la televisión" y,

acto seguido, procede a hacerlo. Y si

Hara le pide que traiga una botella de

zumo, el robot le transmite la orden al

otro robot: "Ocúpate tú de eso". Hara

explica que los robots son capaces de

imitar casi cualquier movimiento

humano; lo único que no pueden hacer

es correr, porque eso sería demasiado

ruidoso y, además, causaría

demasiadas vibraciones. Por lo tanto,

avanza a paso lento. Hara indica que,

sobre todo, los robots deben establecer

una comunicación con las personas,

deben ser capaces de localizar objetos y

que deben reaccionar de modo

independiente. "Pueden ayudarnos

como nos ayudan los perros", concluye

Hara.

Japón es líder en materia de

robótica. Empresas como Sony,

Hitachi y Honda han desarrollado

Robots que tienen,

principalmente, fines de

entretenimiento. Pero en el

ámbito de la producción

industrial, ya están presentes por

doquier. Y si dejan de cumplir

órdenes, es porque se les

descargó la batería. Así sucedió

con Promet, que en medio de la

presentación, dejó de trabajar,

siendo necesario hacer una

pausa para recargar su batería.

Publicado el 22.2.2006 en Esslinger Zeitung


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1.2 Tareas en la industria

Sistema de transporte sin conductor

En las naves de las fábricas modernas y en zonas que albergan peligros se utilizan cada vez más sistemas

de transporte autónomos. Estos sistemas de transporte sin conductor que se desplazan solos sobre el suelo

son robots móviles. El guiado automático se realiza a lo largo de vías predeterminadas, aunque estos

vehículos también pueden trasladarse libremente en los almacenes o en el recinto de las fábricas. Por ello,

se diferencia entre sistemas de transporte guiados según recorridos fijos y sistemas con movimientos de

libre elección.

Los sistemas de transporte sin conductor son especialmente apropiados para llevar piezas hacia las líneas y

máquinas de montaje o de embalaje o recogerlas desde allí, o para efectuar tareas en secciones de

preparación de envíos de pedidos.

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2 El sistema para la enseñanza Robotino®

Los robots móviles debe cumplir determinados criterios técnicos y ciertas características:

Máquinas móviles provistas de sistemas propios de orientación, navegación, detección y elusión de

obstáculos

Fuente de energía propia para el robot y alimentación propia para el ordenador

Inclusión de detectores y actuadores propios

El sistema para la enseñanza Robotino® cumple todas estas condiciones y permite familiarizarse con los

numerosos temas relacionados con la tecnología de la robótica móvil.

2.1 Grupos objetivo y temas

Formación y perfeccionamiento profesional:

Puesta en funcionamiento del sistema mecatrónico

Captación y factores de escala de diversos datos ofrecidos por los detectores

Accionamiento eléctrico de motores

Técnicas de actuadores eléctricos

Regulación de un sistema de mecatrónica

Programación gráfica de aplicaciones para el sistema de robótica móvil

Análisis de los datos ofrecidos por los detectores en diversas aplicaciones

Introducción al tema del procesamiento de imágenes

Especialmente para escuelas técnicas superiores y universidades:

Programación en .Net, C++, C# y JAVA de aplicaciones de robótica móvil sobre la base de API

Control remoto a través de WLAN

Integración de un sistema de cámaras

Programación de navegación independiente

2.2 El Robotino® es interesante

No esconde su tecnología. Todo lo contrario: su tecnología está al descubierto y, por lo, tanto, visible

Es divertido, ya que el estudiante puede controlarlo personalmente para que ejecute las tareas de

modo inteligente

Su tecnología invita al estudiante a entender su forma de funcionamiento y a pensar en posibles

aplicaciones

Es una solución semejante a las que se utilizan en la industria, ya que está compuesto por

componentes que se emplean realmente

Es versátil, fácil de transportar y ocupa poco espacio

El sistema para la enseñanza Robotino®

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2.3 Estudiar mediante experimentos

Haciendo experimentos interesantes con Robotino®, el estudiante aprende cómo funcionan los sistemas

mecatrónicos, por lo que entiende la teoría relacionada con estos temas. Puede probar él mismo y adquirir

los conocimientos teóricos correspondientes en la parte teórica incluida en el sistema de enseñanza.

Con el software Robotino® View, el estudiante no solamente puede programar el sistema, sino, también,

modificar el programa interactivamente online o a través de WLAN y efectuar las respectivas pruebas.

Robotino® View: un ejemplo

Indicación online de los datos reales y nominales mediante un osciloscopio virtual


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2.4 Tareas

Las tareas corresponden a aplicaciones industriales reales del sector de la técnica de la automatización.

Los experimentos con Robotino®

plantean sugerencias e ideas para entender mejor una determinada tecnología,

son útiles, interesantes, ilustrativos y orientados hacia la práctica

y, por lo tanto, permiten acceder de modo intuitivo, emocional y real a los temas de la técnica de

automatización y de la robótica móvil.

2.5 Temas y contenidos

El sistema para la enseñanza permite abordar temas correspondientes a las siguientes especialidades:

Mecánica

– Estructura mecánica de un sistema de robótica móvil

Puesta en funcionamiento

– Puesta en funcionamiento de un sistema de robótica móvil

Electrotécnica

– Accionamiento de motores

– Medición y evaluación de diversas magnitudes eléctricas

Técnica de detectores

– Guiado de sistemas de transporte mediante detectores

– Guiado sin colisiones, mediante detectores de distancias

– Guiado mediante procesamiento de imágenes provenientes de cámaras

Técnica de regulación

– Accionamiento de actuadores omnidireccionales

Programación

– Programación intuitiva mediante cableado gráfico de bloques funcionales previamente definidos

– Programación en C++ sobre la base de Windows API y Linux API (bibliotecas de funciones)

Localización de fallos

– La localización sistemática de fallos en una función de la robótica móvil

2.6 Objetivos didácticos

Con el Robotino® pueden alcanzarse los siguientes objetivos didácticos:

Desde la perspectiva del estudiante:

– Aprender a utilizar un sistema eléctrico regulado de accionamiento del motor

– Conocer los conceptos teóricos y la construcción de un sistema de regulación de corriente continua,

saber determinar las magnitudes características y efectuar la parametrización correspondiente

– Conocer las bases de la tecnología de accionamiento eléctrico

– Entender el funcionamiento de un sistema omnidireccional con tres ejes de movimiento; saber cómo

ponerlo en funcionamiento y controlarlo

– Saber poner en funcionamiento (software y hardware) un sistema de robótica móvil, recurriendo al

ejemplo del Robotino®

– Saber controlar el sistema de robótica móvil Robotino® de tal manera que ejecute movimientos en

varias direcciones


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– Saber realizar un control mediante software del vehículo sin conductor (Robotino®), guiado por

detectores a lo largo de un recorrido definido

– Saber integrar un sistema de procesamiento de imágenes en el sistema de control del Robotino®

– Saber desarrollar un control del vehículo sin conductor (Robotino®), mediante un sistema de control

independiente con detectores de objetos y comportamiento de exploración sencillo

Además, es posible alcanzar los siguientes objetivos didácticos más avanzados:

Desde la perspectiva del estudiante:

– Poder realizar la integración de detectores adicionales

– Poder integrar en el sistema equipos mecánicos adicionales, por ejemplo, unidades de manipulación

– Saber programar (en C++) algoritmos propios para la navegación y el control

– Saber implementar un sistema de navegación propio independiente en el Robotino®

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3 Una forma diferente de impartir clases

Los sistemas independientes y mecatrónicos van adquiriendo una importancia cada vez mayor. El sistema

para la enseñanza Robotino® permite adquirir fundados conocimientos en materia de robótica móvil.

Robotino®, en su calidad de medio didáctico, es especialmente interesante porque su sistema cubre toda la

gama de las innovaciones más recientes en la materia. Lo mismo se aplica a la utilización de WLAN. Usted

puede presenciar en directo el funcionamiento de la tecnología mientras el programa introducido en el

sistema establece una comunicación directa con el Robotino® a través de WLAN.

3.1 Temas

El sistema permite abordar temas relacionados con los procesos (por ejemplo, reparaciones, control de

procesos) y, también, temas sobre la tecnología (por ejemplo, técnica de control, programación). Además,

es posible aislar determinados temas para utilizarlos en clase (por ejemplo, detectores, sistemas de

control).

3.2 Aprender experimentando

El estudio no empieza, como es usual, con la teoría, sino con la práctica. Los estudiantes pueden probar el

equipo e ir adquiriendo los conocimientos teóricos necesarios. Ello significa que los temas se abordan

mediante la colección de tareas, probando y haciendo experimentos.

Los experimentos están relacionados con los contenidos convencionales del plan de estudios anterior,

aunque tienen un carácter evidentemente más práctico que las clases (sólo teóricas) impartidas antes. El

contenido de las clases está relacionado directamente con las materias de estudio.

Considerando así que la teoría es sólo una especie de telón de fondo, el robot móvil Robotino® es, en

realidad, el medio didáctico. En estas condiciones, sólo se imparten los conocimientos teóricos necesarios

para la realización de los experimentos.

Aprender con el sistema de enseñanza Robotino® significa cumplir todos los criterios aplicables a un

sistema didáctico de estudios orientados a la práctica, destinados a la adquisición de un mayor nivel de

conocimientos realizando experimentos con éxito.

3.3 Ventajas para el estudiante

Los estudiantes aprenden el tema de la robótica móvil realizando interesantes experimentos. Así, muestran

mayor interés, se muestran ávidos de adquirir conocimientos técnicos y, además, rinden más.

El nivel de estudios aumenta lentamente con cada tarea, de modo que el estudiante puede comprobar (y

ver) cómo avanza en sus estudios tras haber solucionado cada tarea. Los conocimientos que va adquiriendo

los puede aprovechar en la siguiente tarea dedicada al mismo tema. La colección de tareas tiene una

orientación muy práctica. Se abordan asuntos que realmente existen en aplicaciones industriales. Por ello,

el estudio resulta más atractivo, encontrando soluciones apropiadas para tareas determinadas. Dado que el

estudiante no solamente ve y escucha lo que sucede en clase, sino que también participa activamente en

ella, presta mucha más atención y se siente más motivado para seguir abordando los temas (las tareas)

Una forma diferente de impartir clases

XVI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

siguientes. De este modo, está garantizado el buen resultado de los estudios.

Robotino® contribuye a que los estudiantes entiendan mejor la tecnología que se está aplicando.

3.4 Ventajas para el instructor / el centro de estudios

Considerando que los estudiantes se sienten cada vez más motivados y entienden mejor la tecnología, el

instructor puede transmitir los conocimientos correspondientes en menor tiempo y de modo más eficiente.

Ello significa que el instructor tiene que enfrentarse a menos factores que podrían distraer la atención de

sus estudiantes.

Adicionalmente, el instructor cuenta con un reconocimiento mayor de parte de sus estudiantes, de sus

colegas y de las empresas que, dentro del sistema dual de formación, envían a sus aprendices a que

estudien en el centro en el que él imparte clases. Las empresas quedan satisfechas con los avances de sus

aprendices, ya que pueden constatar que en el centro de estudios se imparten clases de carácter

eminentemente práctico. Las clases pueden estructurarse y configurarse según las tareas y éstas también

pueden utilizarse como temas de exámenes.

Adicionalmente, Robotino® también permite ofrecer clases que abordan diversas especialidades técnicas

(clases multidisciplinarias).

3.5 Funciones asumidas por el instructor

Una de las funciones que debe asumir el instructor consiste en transmitir conocimientos teóricos básicos.

Lo puede hacer aplicando un método didáctico más bien frontal. Pero, por otro lado, puede optar por un

estilo de enseñanza en el que asesora y aconseja a los estudiantes, asumiendo más bien una función de

conductor de las clases.

Utilización didáctica Centros de enseñanza Temas Medios didácticos

Centro de formación

profesional

Técnica de detectores

Mecánica

Técnica de regulación

Programación gráfica/visual,

símbolos, online

Procesamiento de imágenes

(opcional)

Detectores

Construcción

Técnica eléctrica de

accionamiento, accionamiento

de motores, medición y

evaluación

Robotino® View

Cámara (opcional)

Trabajo individual y en grupos

Estudio mediante

experimentos, recurriendo a

tareas de carácter práctico

Método centrado en el

instructor


estudiante

Escuelas de nivel superior Cálculo aplicado de vectores

Actuador omnidireccional

Robotino® View

Construcción


Estudio mediante




instructor


estudiante


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Utilización didáctica Centros de enseñanza Temas Medios didácticos

Sector TI Programación en C y JAVA


(opcional)

WLAN

.Net, C++, C# y JAVA

LUA (programación de propios

bloques de funciones)

Cámara

WLAN Robotino® y ordenador


Estudio mediante




instructor


estudiante

Escuelas técnicas superiores /

Universidades

C y JAVA

Cálculo de vectores

Programación de sistemas de

navegación independiente

Auslesen von Reglerdaten und

Erstellen eines eigenen

Motorreglers

.Net, C++, C# y JAVA

Bibliotecas (software)

LUA (programación de propios

bloques de funciones)

MatLab y LabView interfaz


Estudio mediante




instructor


estudiante

3.6 Métodos. Sugerencias para el instructor

Ejemplo: clases multidisciplinarias

El Robotino® puede emplearse muy bien en clases multidisiplinarias, es decir, en aquellas que abarcan

varias especialidades. Es posible, por ejemplo, combinar la programación mediante software Robotino®

View (interface gráfica de usuario) y la técnica de detectores.

Objetivos didácticos

El objetivo general consiste en aprovechar los datos de los detectores de tal manera en la programación,

que Robotino® avance a lo largo de una línea consistente de una cinta de aluminio.

Los objetivos didácticos específicos consisten en que el estudiante conozca las funciones, las

características y los campos de aplicación de detectores inductivos. Además, que dominen la utilización de

Robotino® View y que conozcan los símbolos y su significado.

Tarea

¿Cómo se puede lograr que Robotino® avance a lo largo de una línea determinada?

Criterios generales

– ¿Cómo definir un concepto de control para Robotino®?

– ¿Qué detectores pueden utilizarse?

– ¿Por qué debe recurrirse a una cinta de aluminio para marcar la línea?

Programación Robotino® View

Programación en .Net, C++, C# y JAVA

LUA (programación de propios bloques de funciones)

MatLab y LabView interfaz

WLAN



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Detectores Detectores de distancias mediante luz infrarroja

Transmisor incremental

Detector para evitar colisiones

Detector inductivo de posición, analógico

Detector óptico, digital

3.6.1 Otros ejemplos

Otros ejemplos posibles: establecer una relación entre la técnica de regulación y la programación de

Robotino®.

En ese sentido, instruir a los estudiantes para que midan y evalúen las magnitudes eléctricas de Robotino®.

También puede establecerse una relación entre la mecánica y Robotino® View. En ese caso, el estudiante

puede entender la importancia que en la mecánica tiene la utilización de diversos piñones. Para ello, debe

montarlos y, a continuación, hacer una prueba con el programa que redactó previamente.

3.7 Formas sociales

Organizar campeonatos entre diversos equipos que deben resolver la misma tarea. Así se ponen de

manifiesto las diversas formas de enfocar la tarea y pueden encontrarse soluciones alternativas, lo que

fomenta una forma de pensar creativa y crítica.

Criterios de evaluación: solución apropiada, calidad, velocidad

3.8 Control a distancia del Robotino® en clase

Utilizando un Robotino®

Robotino® tiene su propio server WLAN. Ello significa que para el funcionamiento de un Robotino® sólo se

necesita un PC capaz de establecer una comunicación WLAN. En esta aplicación, el server WLAN del

Robotino® se encuentra en modalidad AP (Access Point).

Utilizando dos hasta cuatro Robotino®

Si se utilizan dos hasta cuatro Robotino® simultáneamente, la aplicación puede describirse en los mismo

términos que en el caso anterior.


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Ventaja

Todos los Robotino® pueden tener la misma dirección IP, ya que cada uno crea su propia red.

Desventaja

Varias redes WLAN puede interferir si sus canales están muy cercanos. Sólo existen once canales y, por

razones de seguridad, es recomendable que queden libres por lo menos tres canales entre dos canales

activos.

Utilizando varios Robotino®, con los PC conectados a una red del centro de estudios

El AP (Access Point) de los Robotino® debe ajustarse en la modalidad AP client, para lo que se utiliza

directamente el conmutador AP del Robotino® y por medio de la función de selección WLAN en el monitor

del Robotino®. En ese caso, se necesita un AP WLAN central, conectado a una red Ethernet local.

Ventaja

Es posible conectar una cantidad indistinta de Robotino® a la red.

Desventaja

Cada Robotino® debe contar con una dirección IP específica. Sin embargo, esta dirección puede

introducirse mediante el teclado de membrana.

Es posible acceder a la red desde fuera a través del AP (Access Point) no codificado.

Ajustes Valor

SSID RobotinoAPx.1

Canal 11

Codificación No


XX © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

Utilizando varios Robotino® si no se dispone de una red en el centro de estudios

El WLAN del Robotino® debe ajustarse en modalidad AP client, para lo que se utiliza directamente el

conmutador de Robotino® y por medio de la función de selección WLAN en el monitor del Robotino®. En ese

caso se necesita un WLAN central adicional.

Ventaja

Es posible conectar una cantidad indistinta de Robotino® a la red.

Desventaja

Cada Robotino® debe contar con una dirección IP específica que puede introducirse mediante el teclado

de membrana.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 I


Proyecto 1


Proyecto 2


Proyecto 3


Proyecto 4


Proyecto 5


Proyecto 6


Proyecto 7


Proyecto 8

Movimiento guiado de un sistema de transporte sin conductor con unsensor analógico inductivo _______ 67

Proyecto 9


Proyecto 10


Proyecto 11

Búsqueda de un objeto de color. Aproximación controlada con una webcam _______________________ 101

Importante


Robotino® View.


II © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 1

Proyecto 1 Revisión del material y puesta en funcionamiento de Robotino®

1. Puesta en funcionamiento de Robotino® a) Confeccione una lista de comprobación para controlar si el sistema está completo.

Cantidad Denominación ok

3 Motor DC (motor de corriente continua) ok

3 Reductor con relación de 16:1 ok

3 Correa dentada ok

1 Baterías: 4 * 12V, dos de ellas incluidas ok

1 Placa de base con listón paragolpes ok

9 Sensor de distancias de luz infrarroja ok

3 Transmisor de impulsos, uno por motor ok

3 Rueda de giro en sentidos indistintos ok

1 Sensor contra colisiones (listón paragolpes) ok

1 Detector inductivo analógico ok

2 Sensor óptico digital de reflexión directa ok

1 Unidad de control con display, controlador y conexiones incluidas

(= cuerpo de la unidad de control) ok

1 Cámara ok

Fecha

Fecha actual

Firma

(Nombre y apellidos)

b) Compruebe el funcionamiento de los componentes y apunte los resultados de su comprobación.

Proyecto 1 – Revisión del material y puesta en funcionamiento de Robotino®

2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

c) Consultando el display del panel de mando, compruebe si el sistema se conectó correctamente. Al

hacerlo, fíjese en el LED que se encuentra en el panel de mando.

Indicación Descripción

LED LED encendido: estado ON

ROBOTINO®

172.26.1.1 PC104 dirección IP

V2.0 Versión de software

d) Consultando la indicación correspondiente en el panel de mando, compruebe el estado de carga de las

baterías.

Estado de carga de las baterías

Para consultar el estado de carga, consulte el diagrama de barras en el panel de mando. Si se muestran solo pocas barras, el estado

de carga es correspondientemente bajo.

Posición en reposo, ausencia de fallos eléctricos

Los rodillos no están en movimiento y no se produjeron fallos eléctricos.

e) Apunte en la hoja de trabajo los resultados de su comprobación.

Resultados

Puesta en funcionamiento el Fecha actual

Encargado de la puesta en

funcionamiento

(nombre y apellidos)

Alimentación de corriente e indicación

del estado

ok

Estado de carga de las baterías ok

Fecha Fecha actual

Firma (nombre y apellidos)



2. Comprobar movimientos a) Compruebe los movimientos que ejecuta Robotino®. Active las funciones de demostración Avance,

Círculo, Cuadrilátero y Explorar.

– Observe los movimientos que se ejecutan con el robot levantado y con el robot en movimiento.

Descripción: movimiento de demostración "Avance"

Robot levantado

Movimientos de los rodillos

Las ruedas delanteras se mueven. Por lo tanto, M1 y M3 están activos.

Robot sobre el suelo

Movimiento del robot

Sensores

Comportamiento de los rodillos

El robot avanza.

El sensor protector de colisiones (listón paragolpes) se activa al establecer

contacto con un obstáculo.

Los rodillos delanteros se mueven. Por lo tanto, M1 y M3 están activos.

Otras observaciones Para que Robotino® avance, es necesario que M1 y M3 giren a la misma

velocidad en el sentido correspondiente al frente de Robotino®.

Descripción: movimiento de demostración "Girar en círculos"

Robot levantado


Los tres rodillos giran. Desfasados en el tiempo, los rodillos giran hacia

adelante y hacia atrás..

Movimiento

Comportamiento en movimiento

Sensores


Se mantiene la orientación, de manera que Robotino® también mantiene su

orientación.

Sensor contra colisiones (listón paragolpes)

Los tres rodillos giran.

Otras observaciones Para ejecutar un movimiento circular es necesario que giren los tres rodillos.

Desfasados en el tiempo, los rodillos giran hacia adelante y hacia atrás..

Descripción: movimiento de demostración "Trazar un cuadrilátero"

Robot levantado


Todos los rodillos giran. M2 y M3 giran en un sentido, M1 en sentido

opuesto. Para avanzar, es necesario que M1 y M3 giren hacia el frente de

Robotino®.

Movimiento

Comportamiento en movimiento

Sensores


La orientación se mantiene en la medida en que Robotino® siempre mira

hacia el exterior.

Sensor protector en caso de colisión (listón paragolpes)

Giran todas los rodillos; M1 y M3 lo hacen hacia donde mira Robotino®.

Otras observaciones Óptimo: movimiento lineal de tramos de igual longitud, cambiando el

sentido de giro de los rodillos, por lo que Robotino® traza un cuadrado. Sin

embargo, puede suceder que el ángulo no sea preciso y que los tramos

recorridos no tengan exactamente la misma longitud.


4 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

Descripción: movimiento de desmostración "Explorar"

Robot levantado


Las ruedas delanteras se mueven. M1 y M3 están giran. Para avanzar, es

necesario que M1 y M3 giren hacia el frente de Robotino®.

Accionamiento de los sensores de luz infrarroja distancias 1,2,9:

M1 modifica su sentido de giro, se activa M2. De esta manera, Robotino®

esquiva el obstáculo. La maniobra para esquivar el obstáculo se ejecuta en

la medida en que todos los rodillos gira más rápidamente en el mismo

sentido.

Movimiento

Comportamiento durante el movimiento

Sensores


Trata de impedir la colisión con obstáculos; se desvía antes de chocar.

Únicamente los sensores de distancias de luz infrarroja delanteros están

activos. Esto significa que Robotino® detecta obstáculos en la zona cubierta

por los sensores de luz infrarroja 1,2,9.

La maniobra para esquivar el obstáculo se ejecuta en la medida en que

todos los rodillos gira más rápidamente en el mismo sentido. Robotino® se

desvía hacia la izquierda.

Otras observaciones Robotino® ejecuta un movimiento lineal, igual que con el programa

"Avanzar". Gracias a los sensores activos de luz infrarroja, Robotino® no se

detiene después de chocar con el obstáculo. Más bien lo esquiva antes de

chocar. La maniobra para esquivar el obstáculo se ejecuta en la medida en

que todos los rodillos gira más rápidamente en el mismo sentido. Robotino®

se desvía hacia la izquierda.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 I

Tareas

Proyecto 1


Proyecto 2


Proyecto 3


Proyecto 4


Proyecto 5


Proyecto 6


Proyecto 7


Proyecto 8

Movimiento guiado de un sistema de transporte sin conductor con un sensor analógico inductivo ______ 65

Proyecto 9


Proyecto 10


Proyecto 11

Búsqueda de un objeto de color. Aproximación controlada con una webcam ________________________ 91

Importante


Robotino® View.

Tareas

II © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606


Proyecto 1 Revisión del material y puesta en funcionamiento de Robotino®

Objetivos didácticos Al finalizar el curso, el estudiante habrá alcanzado varias metas didácticas:

• El estudiante conocerá los componentes principales de un sistema móvil recurriendo al ejemplo de

Robotino®.

• El estudiante sabrá poner en funcionamiento un sistema móvil robotizado según el ejemplo de

Robotino®.

• El estudiante podrá realizar pruebas con Robotino® y podrá describir los movimientos de este sistema

móvil robotizado.

Descripción de la tarea a resolver El estudiante deberá revisar el material recibido y realizar la primera puesta en funcionamiento de un

sistema mecatrónico complejo.

Finalidad del proyecto Controlar el material recibido y poner en funcionamiento el obotino® por primera vez.

Para controlar el material recibido deberá procederse de la siguiente manera:

• Confección de una lista de comprobación y revisar el material según la lista

Para la primera puesta en funcionamiento deberá procederse de la siguiente manera:

• Verificar el procedimiento correcto para la puesta en funcionamiento

• Revisar el estado de carga de la batería

• Realizar pruebas del funcionamiento de los programas de movimientos Círculo, Avance, Cuadrilátero, Explorar.

• Confeccionar la documentación y dejando constancia de los resultados


2 Nombre: __________________________________ Fecha: ____________ © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

Esquema de situación

Tareas a resolver 1. Puesta en funcionamiento de Robotino®

2. Comprobar movimientos

Medios auxiliares disponibles Documentación técncia de Robotino®


© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 Nombre: __________________________________ Fecha: ____________ 3

1. Puesta en funcionamiento de Robotino® a) Confeccione una lista de comprobación para controlar si el sistema está completo.

Consulte la documentación técnica para comprobar qué componentes debe incluir el sistema.

Algunos de los componentes más importantes: 3 motores DC

2 baterías de 12 V, dos baterías de repuesto

Placa de base con listón protector

Sensores de distancia

Plataforma de trabajo con webcam (cámara)

Controlador incluido en el sistema



– Rellene la lista de comprobación. Marque con un aspa las tareas en la medida en que las va

resolviendo.

Cantidad Denominación ok.

Fecha:

Firma:

b) Compruebe el funcionamiento de los componentes y apunte los resultados de su comprobación.

Para resolver las siguientes tareas proceda tal como se describe en el capítulo de puesta en

funcionamiento de la documentación técnica.

– Eleve el sistema para que los rodillos puedan moverse y girar libremente.

– Conecte el Robotino® a la red y active la unidad de control del sistema.



c) Consultando el display del panel de mando, compruebe si el sistema se conectó correctamente. Al

hacerlo, fíjese en el LED que se encuentra en el panel de mando.

Indicación Descripción

d) Consultando la indicación correspondiente en el panel de mando, compruebe el estado de carga de las

baterías.


Posición en reposo, ausencia de fallos eléctricos

e) Apunte en la hoja de trabajo los resultados de su comprobación.

Resultados

Puesta en funcionamiento el

Encargado de la puesta en

funcionamiento

Alimentación de corriente e indicación

del estado


Fecha

Firma



2. Comprobar movimientos a) Controle los movimientos de Robotino ® recurriendo a las aplicaciones de demostración Avance,

Círculo, Cuadrilátero y Explorar.

– Observe los movimientos que se ejecutan con el robot levantado y con el robot en movimiento.

Al ejecutar el programa de exploración, Robotino® únicamente deberá esquivar obstáculos que se

encuentran sobre el suelo. De lo contrario, es posible que se produzcan daños.

– Ejecute los programas círculo, avance, cuadrilátero y explorar una vez con Robotino® elevado y otra vez

con Robotino® sobre el suelo.

Proceda tal como se describe en el capítulo de ejecución de pruebas y de programas de demostración en

la documentación técnica. Seleccione el programa correspondiente en el menú que aparece en el display.

– Describa el comportamiento de los tres rodillos omnidireccionales. Indique qué movimientos realizan

cuando se ejecutan los programas avance, cuadrilátero, círculo, y explorar

Cuando Robotino® se mueve, observe su orientación.

– ¿Qué sensores se activan?

– Explique el comportamiento del sistema. ¿Qué relación existe entre el movimiento de los rodillos y el

movimiento de Robotino®?

Descripción: movimiento de demostración "Avance"

Robot levantado


Robot sobre el suelo

Movimiento del robot

Sensores

Comportamiento de los

rodillos

Otras observaciones



Descripción: movimiento de demostración "Girar en círculos"

Robot levantado


Movimiento

Comportamiento en

movimiento

Sensores


rodillos

Otras observaciones

Descripción: movimiento de demostración "Trazar un cuadrilátero "

Robot levantado


Movimiento

Comportamiento en

movimiento

Sensores


rodillos

Otras observaciones



Descripción: movimiento de desmostración "Explorar"

Robot levantado


Movimiento

Comportamiento durante el

movimiento

Sensores


rodillos

Otras observaciones

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606 I-1

Teoría

1 Regulación/Regulador PID __________________________________________________________ I-3

1.1 ¿Qué es la técnica de regulación? ____________________________________________________ I-3

1.1.1 Técnica de control/Técnica de regulación ______________________________________________ I-3

1.1.2 Conceptos básicos de la técnica de regulación __________________________________________ I-4

1.2 Descripción del comportamiento de un tramo de regulación en función del tiempo ____________ I-9

1.3 Regulador ______________________________________________________________________ I-10

1.3.1 Regulador proporcional ___________________________________________________________ I-10

1.3.2 Regulador integral _______________________________________________________________ I-12

1.3.3 Regulador diferencial _____________________________________________________________ I-13

1.3.4 Reguladores combinados __________________________________________________________ I-14

1.3.5 Estructuración y parametrización de reguladores ______________________________________ I-16

2 Sistemas parciales de robots: actuadores ____________________________________________ I-19

2.1 Informaciones generales sobre robots omnidireccionales ________________________________ I-19

2.2 Ruedas omnidireccionales _________________________________________________________ I-20

2.3 Libertad de movimiento de un sistema en un espacio ___________________________________ I-23

2.3.1 Grados de libertad _______________________________________________________________ I-23

2.3.2 Sistema de coordenadas __________________________________________________________ I-23

2.3.3 Movimientos de cuerpos __________________________________________________________ I-25

2.4 Accionamiento de un actuador omnidireccional ________________________________________ I-26

2.4.1 Accionamiento y sentido del movimiento _____________________________________________ I-27

2.4.2 Accionamiento de los tres motores de Robotino® ______________________________________ I-28

3 Línea característica _______________________________________________________________ I-31

3.1 Obtención de una línea característica ________________________________________________ I-31

3.2 Linealización de una línea característica ______________________________________________ I-31

4 Detectores de rayos infrarrojos _____________________________________________________ I-33

4.1 Los detectores de rayos infrarrojos en Robotino® View __________________________________ I-34

5 Detectores de posición ópticos _____________________________________________________ I-35

5.1 Construcción de detectores ópticos _________________________________________________ I-35

5.2 Reserva de funcionamiento de detectores ópticos ______________________________________ I-36

5.3 Características técnicas ___________________________________________________________ I-37

5.4 Indicaciones para la utilización _____________________________________________________ I-38

5.5 Exclusión de luz de fondo en el caso de un detector de reflexión directa ____________________ I-39

5.6 Ajuste de la sensibilidad __________________________________________________________ I-39

5.7 Comportamiento del detector de reflexión directa al detectar objetos de reflexión especular ___ I-40

5.8 Ejemplos de aplicaciones __________________________________________________________ I-41

5.9 Detectores ópticos con fibra óptica __________________________________________________ I-41

5.9.1 Indicaciones para la utilización _____________________________________________________ I-42

5.9.2 Ejemplos de aplicaciones __________________________________________________________ I-43

I-2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 548606

6 Detectores inductivos _____________________________________________________________ I-45


6.2 Aplicaciones ____________________________________________________________________ I-45

7 Listón protector, detección de colisiones _____________________________________________ I-46


7.2 Aplicaciones ____________________________________________________________________ I-46

7.3 El listón protector en Robotino® View ________________________________________________ I-46

8 Webcam ________________________________________________________________________ I-47

9 Ventajas didácticas de Robotino® en la formación profesional moderna ____________________ I-49

9.1 Metas de la formación profesional moderna ___________________________________________ I-49

9.2 El sistema para la enseñanza Robotino® como parte integrante

de una formación profesional moderna ______________________________________________ I-49

9.3 Conclusiones ____________________________________________________________________ I-51


1 Regulación/Regulador PID

1.1 ¿Qué es la técnica de regulación? En las máquinas o equipos suele ser necesario regular diversas magnitudes tales como, por ejemplo,

presión, temperatura o caudal, para que se ajusten a un valor previamente determinado. Además, estos

valores ajustados no deberán cambiar si se producen interferencias. Para conseguirlo, se utiliza un sistema

de regulación.

La técnica de regulación se dedica a todos los temas relacionados con esta tarea.

Para que un regulador de funcionamiento independiente reciba una señal eléctrica correspondiente a la

magnitud que debe regularse, primero es necesario captar y convertir la señal.

A continuación, esa magnitud debe compararse en el regulador con el valor o el transcurso de valores

predeterminados. Una vez hecha esa comparación, debe decidirse cómo incidir en la máquina para efectuar

el ajuste.

Finalmente, debe encontrarse un lugar apropiado en la máquina para modificar la magnitud que se pretende

regular (por ejemplo, la unidad de regulación de una calefacción). Para ello es importante saber cómo se

comporta la máquina.

La técnica de regulación aprovecha criterios de validez general, aplicables a diversas tecnologías. En la

mayoría de los libros de texto se explica este tema recurriendo a complicadas fórmulas matemáticas. En el

presente capítulo se explican los conceptos básicos de la técnica de regulación, prescindiendo en buena

medida a explicaciones matemáticas.

1.1.1 Técnica de control/Técnica de regulación

Controlar En la norma alemana DIN 19226, el control se define en los siguientes términos: Controlar es la operación

que se ejecuta en un sistema en el que la magnitud de entrada (una o varias) es diferente de la magnitud de

salida. La diferencia se produce según las características del sistema.

El control se caracteriza por tener una acción abierta, lo que significa que la magnitud de salida no influye

en la magnitud de entrada.

Regular En la norma alemana DIN 19226, la regulación se define en los siguientes términos: regular es la operación

que se ejecuta en un sistema en el que la magnitud a regular (magnitud regulada) se capta

ininterrumpidamente para compararla con un valor determinado (magnitud o valor de referencia).

Dependiendo del resultado de esta comparación, la magnitud de entrada se modifica de tal modo que la

magnitud de salida adquiera el valor definido, a pesar de la presencia de interferencias por magnitudes

perturbadoras. Debido a esta acción retroactiva, se trata de un circuito de acción en bucle cerrado.

Regulación/Regulador PID


1.1.2 Conceptos básicos de la técnica de regulación

Magnitud o valor de referencia La magnitud de referencia W también se llama valor de referencia o valor nominal de la magnitud a regular

(magnitud regulada). La magnitud de referencia indica el valor que se desea que tenga la magnitud

regulada. La magnitud de referencia puede ser constante a través del tiempo, pero también puede cambiar

en el transcurso del tiempo. El valor efectivo de la magnitud regulada se llama valor real.

La regulación tiene la función de mantener el valor de regulación en un valor determinado o de modificarlo

según un transcurso definido. Este valor definido se llama magnitud de referencia.

Magnitud regulada

Definición La finalidad de la regulación consiste en conseguir que una magnitud mantenga un valor determinado o que

cambie según un transcurso definido. La magnitud a regular se llama magnitud regulada "x".

Esta función se aplica en equipos y máquinas de la más diversa tecnología. El valor que se regula es la

magnitud regulada.

Ejemplo Revoluciones de un motor DC (Consultar proyecto 2)

El valor nominal y el valor real de las revoluciones deben coincidir en la mayor medida posible, para que los

movimientos se ejecuten de manera óptima.

Las magnitudes reguladas pueden ser, por ejemplo, las siguientes:

• La presión de un acumulador de presión

• La presión en una prensa hidráulica

• La temperatura en un baño de galvanización

• El caudal del agente refrigerante en un intercambiador térmico

• La concentración de una substancia química en un reactor agitador

• La velocidad de avance de una máquina herramienta con actuador eléctrico

• Las revoluciones de un motor

Magnitud de regulación La regulación únicamente puede ser automática si es posible intervenir en la máquina o el equipo para

influir en la magnitud regulada. Sólo de esta manera puede regularse la magnitud para que corresponda a

un valor previamente definido. La magnitud que permite esta regulación se llama valor de regulación "y".

Los valores de regulación pueden ser, por ejemplo, los siguientes:

• La posición de la válvula de escape de un depósito de aire comprimido

• La posición de la válvula hidráulica reguladora de presión

• La tensión aplicada en la calefacción eléctrica de un baño de galvanización

• La posición del estrangulador en un tubo de agente refrigerante

• La posición de la válvula en un tubo de alimentación de substancias químicas

• La tensión en el rotor de un motor de corriente continua



Magnitud perturbadora "z" Cualquier tramo de regulación está expuesto a interferencias. Precisamente estas interferencias son las

que, en muchos casos, obligan al uso de un sistema de regulación. Las interferencias se llaman magnitudes

perturbadoras "z".

El tramo de regulación es aquella parte del equipo o de la máquina en la que la magnitud regulada debe

alcanzar un valor determinado, y en la que el valor de regulación compensa el efecto de la magnitud

perturbadora. Un tramo de regulación no solamente tiene el valor de regulación como valor de entrada, ya

que también las magnitudes perturbadoras son valores de entrada.

Diferencia de regulación "xd" La comparación entre la magnitud de referencia y la magnitud regulada redunda en una diferencia de

regulación xd. Esta diferencia se obtiene de la siguiente manera:

xd = e = W - x

Comportamiento de regulación El comportamiento de regulación se refiere a la forma que reacciona el tramo de regulación a cualquier

cambio de los valores de entrada. La determinación del comportamiento de regulación es el objeto de la

técnica de regulación.

Regulador El regulador tiene la función de acercar la magnitud regulada lo más posible a la magnitud de referencia. En

el regulador se compara constantemente la magnitud regulada con el valor de la magnitud de referencia.

Con esta comparación y considerando el comportamiento de regulación, se determina y emite el valor de

regulación.

Magnitud de regulación x

(valor real)

Valor de regulación yDiferencia de

regulación x

Magnitud de referencia W

(valor nominal)

Comportamientode regulación

(algoritmo)+

Elemento de control y actuador para regulación El elemento de control modifica la magnitud regulada. El elemento de control es activado por un actuador

especial para regulación. Los actuadores de regulación son necesarios si el elemento de control no puede

activarse directamente por el regulador.

Elemento de medición Para que el regulador reciba la magnitud regulada, esta magnitud debe ser captada primero por un

elemento de medición (detector, transductor) para ser transformada en una magnitud física que el

regulador pueda procesar en calidad de señal de entrada.



Circuito de regulación El circuito de regulación incluye todos los componentes de un circuito de acción cerrado, necesarios para

obtener un sistema de regulación automático.

Magnitud de regulación x

(valor real)

Valor de regulación y

Tramo deregulación

ReguladorMagnitud de referencia W

(valor nominal)

Ejemplo: Robotino® El bloque de funciones Motor contiene un regulador (software) para ajustar las revoluciones del motor.

Magnitud a regular(valor real)

M1ReguladorValor de

regulación

Magnitud de referencia(valor nominal)



La magnitud de referencia W del regulador sea igual a las revoluciones nominales x del motor.

• Magnitud regulada = valor real de las revoluciones del motor

La medición se realiza mediante en encoder del motor.

El regulador tiene la función de minimizar la diferencia de regulación, es decir, la diferencia entre el

valor real y la magnitud de referencia.

Mediante numerosas pruebas se ha podido comprobar que con valores de

Kp = 25

Ki = 25

Kd = 25

el regulador ofrece muy buenos resultados.

Ejemplo Dependiendo de la diferencia de regulación, el regulador trasmite una señal al elemento de control. Si la

diferencia de regulación es grande y tiene signo negativo (es decir, si el valor del caudal es superior al valor

determinado previamente), la válvula se cierra algo más. Si la diferencia de regulación es grande y tiene

signo positivo (es decir, el valor medido es inferior al valor determinado previamente), la válvula se abre

algo más.

Magnitud de referencia20° C

Regulador

°C Indicación

Aparato de medición

Agua

Espira de calefacción

Válvulade regulación

Vapor

Motor eléctrico

Por lo general, la adaptación del valor de salida no es óptima:

• Si la intervención es demasiado rápida y fuerte, la excitación en la entrada del sistema es demasiado

grande, por lo que se produce un recorrido oscilante en la salida.

• Si la intervención es lenta y débil, el valor de salida sólo se adapta aproximadamente al valor nominal.

Además, diferentes sistemas (es decir, diferentes tramos de regulación) exigen la aplicación de estrategias

de regulación también diferentes. Los sistemas con retardos grandes, deben regularse cuidadosamente y

con previsión. Esta constatación es, en realidad, el resumen de los problemas que deben resolver la técnica

de regulación y los especialistas que se dedican a ella.



Emisor decomando

w

Valor nominal wMagnitud dereferencia

ReguladorTramo

deregulación

Valor real xMagnitud regulada

e

Punto decomparación

xDesviación

y

Valor de regulación

Elemento de control Lugar de medicióncon detector

Magnitud perturbadora

x

Si para modificar una magnitud debe diseñarse un sistema de regulación en una máquina o equipo, deberá

procederse de la siguiente manera:

• Definir el valor de regulación (de esta manera, queda definido el tramo de regulación)

• Determinar el comportamiento del tramo de regulación

• Determinar la estrategia de regulación en relación con el tramo de regulación (comportamiento del

"sistema regulador")

• Seleccionar los aparatos de medición y los elementos de control apropiados

Ejemplo de regulación En realidad, un automóvil no se controla, sino que se regula con el volante. El funcionamiento es el

siguiente:

Si se traza una curva con un automóvil, con el volante se regula el sentido del movimiento. Es decir, se

regula el automóvil de tal manera que efectúe un movimiento a lo largo de un trazado determinado

previamente.

Tramo de regulación

Definición Entre el valor de regulación y la magnitud regulada existen relaciones complicadas. Estas relaciones están

determinadas por la dependencia física recíproca entre ambas magnitudes. La parte interesante para la

regulación es aquella que determina los procesos físicos. Esta parte se llama tramo de regulación.

El tramo de regulación es aquella parte de la máquina o del equipo en la que la magnitud regulada debe

adquirir un valor determinado y en la que el valor de regulación compensa las magnitudes perturbadoras.

Un tramo de regulación no solamente tiene el valor de regulación en calidad de valor de entrada, ya que

también las magnitudes perturbadoras son valores de entrada.

Para definir un regulador para el tramo de regulación, primero debe conocerse el comportamiento del tramo

de regulación. Al técnico especializado en regulación no le interesan los procesos técnicos válidos en el

tramo de regulación; únicamente está interesado en el comportamiento del sistema.



Comportamiento de un sistema en función del tiempo El comportamiento de un sistema en función del tiempo (también llamado comportamiento dinámico) es

especialmente importante en la técnica de regulación. Se trata del cambio que experimenta el valor de

salida (magnitud regulada) en el transcurso del tiempo, en caso de cambiar los valores de entrada. En este

caso, es importante el comportamiento al producirse modificaciones del valor de regulación.

El técnico especializado en sistemas de regulación siempre debe saber que casi cualquier sistema tiene un

determinado comportamiento dinámico.

1.2 Descripción del comportamiento de un tramo de regulación en función del tiempo

Respuesta gradual o función transitoria El comportamiento de un sistema en caso de un salto del valor de entrada, se llama respuesta gradual o

función transitoria. La respuesta gradual caracteriza a cualquier sistema. También se utiliza para describir

sistemas mediante ecuaciones matemáticas.

Comportamiento dinámico Esta forma de describir un sistema también se llama descripción del comportamiento dinámico. En la gráfica

se explican las relaciones. En este caso, el valor de regulación aumenta dando un salto (ver el diagrama

siguiente).

La respuesta gradual de la magnitud regulada x representa un proceso de estabilización con breves

sobreoscilaciones.

Valor de regulación y Magnitud regulada xTramo deregulación

y x

t t

Estado de equilibrio Otra característica de los sistemas es su comportamiento en estado de equilibrio, es decir, su

comportamiento estático.

Comportamiento estático Un sistema alcanza su estado de comportamiento estático si todas las magnitudes ya no cambian en

función del tiempo. Ello significa que el estado de equilibrio se alcanza al término del proceso de

estabilización. Este estado se puede mantener durante un tiempo ilimitado.

También en el caso del estado de equilibrio, el valor de salida depende del valor de entrada. Esta

dependencia se muestra mediante la línea característica de un sistema.



1.3 Regulador En la sección anterior se trató el tema del "tramo de regulación", es decir, aquella parte de una máquina o

un equipo que puede controlarse mediante un sistema de regulación. En la siguiente sección se abordará el

tema del regulador.

Un regulador es el elemento que está incluido en el circuito de regulación y que se encarga de comparar

entre el valor medido (valor real) y el valor previamente definido (valor nominal) para calcular y transmitir el

valor de regulación.

Por lo dicho antes, es evidente que un tramo de regulación puede ser de diversos tipos. Existen tramos

rápidos, otros con un marcado retardo y también los hay que tienen un efecto de memoria.

El valor de regulación debe definirse de forma diferente para cada uno de estos tipos de tramos de

regulación. Por ello existen varios reguladores con diferente comportamiento de regulación. La tarea del

especialista en técnica de regulación consiste en seleccionar el comportamiento de regulación del regulador

más apropiado para un determinado tipo de tramo de regulación.

Comportamiento de regulación Se llama comportamiento de regulación a la forma que el regulador debe obtener el valor de regulación en

función de la diferencia de regulación.

Regulador PID para regular un motor En la industria, el regulador más frecuente es el regulador lineal estándar. Su relación de transmisión se

debe a sus elementos P, I y D, que representan tres formas lineales básicas.

El regulador PID es el regulador estándar más importante, ya que reúne las buenas propiedades de otros

tipos de reguladores y, además, porque es muy rápido y preciso. Se trata de un regulador con

comportamiento proporcional, integral y diferencial. Si se produce un salto de la señal, el valor de

regulación primero tiene un comportamiento PD y, a continuación, desaparece la acción D y aumenta la

acción I en función del tiempo. Los valores característicos son aquellos que corresponden a cada uno de los

componentes de regulación:

• Kp = parte proporcional del regulador PID antepuesto al motor

• Ki = parte integral del regulador PID antepuesto al motor

• Kd = parte diferencial del regulador PID antepuesto al motor

1.3.1 Regulador proporcional En un regulador proporcional, la señal del valor de regulación se calcula proporcionalmente en relación con

la diferencia de regulación. Si la diferencia de regulación es grande, también lo es el valor de regulación. Si

la diferencia de regulación es pequeña, también lo es el valor de regulación. En circunstancias ideales, el

comportamiento del regulador P en función del tiempo es exactamente igual al comportamiento del valor de

entrada. La ventaja consiste en que este regulador interviene muy rápidamente, sin retardo.

Ejemplo de regulación del nivel de llenado A través de un conducto de alimentación fluye agua a un depósito, por lo que sube el flotador. Mediante

una palanca, el flotador actúa sobre la válvula de alimentación. Si se consume mucha agua, la válvula debe

estar correspondientemente abierta. Si se consume poca agua, la válvula está muy poco abierta.



Ello significa que si se consume mucha agua, el nivel del agua en el depósito es más bajo que en el caso de

poco consumo de agua. Esta es la desventaja de un regulador proporcional: dependiendo de la magnitud

perturbadora Z, varía el nivel del agua contenido en el depósito.

Estos reguladores suelen ser electrónicos.

Entradade agua

Salida deagua

Flotador(sensor)

Válvula dealimentación

Aplicaciones Los reguladores proporcionales se utilizan en aplicaciones en las que la precisión de la regulación no tiene

mayor importancia. El regulador P transforma directamente un salto de la señal de entrada en un salto de la

señal de salida. Ambas señales son de respuesta rápida

• Ventajas

Las ventajas del regulador proporcional son su rápida respuesta y su construcción sencilla.

• Desventajas

La ventaja consiste en que, con reguladores proporcionales, el circuito de regulación mantiene una

diferencia de regulación. La magnitud regulada (valor real) nunca alcanza el valor de la magnitud de

referencia (valor nominal).

e

t

Diferencia de regulación e

y

t


e y

Símbolo del regulador P

Comportamiento del regulador P en función del tiempo: En un regulador P, el valor de regulación "y" cambia proporcionalmente según

la diferencia de regulación "e"



1.3.2 Regulador integral El regulador integral surte más efecto cuanto más grande es la diferencia de regulación. Incluso si la

diferencia de regulación es muy pequeña, se produce una señal de salida grande, siempre y cuando

transcurra el tiempo suficiente. El regulador integral convierte saltos de la señal de entrada en señales de

salida en forma de rampas debido a la suma constante (integración).

Ello significa que los cambios del valor de regulación se producen de forma continua y mucho más

lentamente que en el caso de un regulador proporcional.

Si en la entrada del regulador integral se recibe una señal constante, la señal de salida cambia de modo

continuo, hasta que se compensa la diferencia de regulación. El valor de regulación de un regulador integral

es proporcional a la relación entre la diferencia de regulación y el tiempo.

El valor de regulación aumenta cuanto más grande es la diferencia de regulación y cuanto más tiempo

transcurre existiendo esa diferencia de regulación. En un regulador I, las diferencias de regulación y la

velocidad de la regulación son igualmente proporcionales, es decir, cuanto mayor es la diferencia de

regulación, tanto más rápido se modifica el elemento de control.

No es frecuente que se utilice un regulador integral puro, ya que estos reguladores tienden a ser inestables

y porque reaccionan lentamente a cambios rápidos.

Aplicaciones Los reguladores integrales se utilizan para eliminar la desventaja que tienen los reguladores

proporcionales, que no pueden compensar completamente la diferencia de regulación. Por ello, en la

práctica suelen combinarse los reguladores integrales con reguladores proporcionales.

e

t


y

t


e y

Símbolo del regulador I

Comportamiento del regulador I en función del tiempo: En un regulador I, el valor de regulación reacciona proporcionalmente a la

relación entre la diferencia de regulación y el tiempo



1.3.3 Regulador diferencial Existen tramos de regulación en los que se manifiestan rápidamente magnitudes de perturbación. En ese

caso, la magnitud regulada varía mucho en poco tiempo en relación con la magnitud de referencia. Estas

desviaciones pueden compensarse mediante un regulador D.

El valor de salida de un regulador D es proporcional al cambio de la diferencia de regulación en el

transcurso del tiempo. Por lo tanto, un salto que modifica la diferencia de regulación redunda en un valor

infinitamente grande del valor de regulación en la salida del regulador.

Aplicaciones Considerando que el regulador D sólo reacciona a los cambios que experimenta la diferencia de regulación,

este tipo de regulador no se utiliza de modo aislado. Es decir, siempre se utiliza en combinación con un

regulador P o un regulador PI.

Sin embargo, un regulador diferencial no es capaz de compensar una diferencia de regulación persistente.

En la práctica, casi no se utilizan reguladores diferenciales puros.

En la práctica, un regulador diferencial se combina con un regulador proporcional o con un regulador

proporcional e integral.

La eficiencia del regulador diferencial es tanto mayor, cuanto más rápidamente se producen las diferencias

de regulación.

Comportamiento del regulador D en función del tiempo: En un regulador D, el valor de regulación cambia proporcionalmente al cambio

de la diferencia de regulación.

e

t


y

t


e y

Símbolo del regulador D



1.3.4 Reguladores combinados Considerando que los diversos tipos de reguladores no son capaces, por sí solos, de conseguir el

comportamiento necesario para una tarea de regulación, suele optarse por una combinación. Sin embargo,

no todas las combinaciones entre los tres tipos de reguladores son apropiadas en todos los casos. Las

combinaciones más frecuentes son las siguientes:

• Regulador PI

• Regulador PD

• Regulador PID

t

Diferencia de regulación

t

Regulador PI

t

Regulador PD

t

Regulador PID

e

y

y

y

Regulador PI Un regulador PI es la combinación de un regulador I y un regulador P. De esta manera, pueden aprovecharse

las ventajas que ofrecen ambos reguladores, es decir, las reacciones rápidas del regulador integral I y la

compensación de la diferencia de regulación restante mediante el regulador P. Ello significa que el

regulador PI puede utilizarse en numerosos tipos de tramos de regulación.

Además del comportamiento proporcional, se suma otro factor que expresa el comportamiento de la parte I.

Se trata del tiempo de reajuste. Este tiempo es un criterio para expresar la velocidad con la que un

regulador corrige la magnitud regulada para compensar la diferencia de regulación restante, adicionalmente

al valor de regulación obtenido mediante la parte P. El tiempo de reajuste es el tiempo que un regulador PI

es más rápido que el regulador I.



Diferencia de regulación e Valor de regulación yRegulador

e y

t tTn

Tn = Tiempo de reajuste

Regulador PID Adicionalmente al regulador PI, el regulador PI incluye la parte diferencial. Ello significa que, adicionalmente

se tiene en cuenta la velocidad del cambio de la diferencia de regulación.

Si la diferencia de regulación cambia mucho, la parte diferencial provoca primero una elevación breve y

extrema del valor de regulación. Mientras que la influencia de la parte diferencial disminuye

inmediatamente, la parte integral aumenta lentamente. Si cambia poco la diferencia de regulación, puede

obviarse la parte de la acción diferencial.

• Ventajas

Este comportamiento tiene la ventaja de contar con una intervención rápida cuando se producen

cambios o si aparecen magnitudes perturbadoras, por lo que la diferencia de regulación se compensa

más rápidamente.

• Desventajas

La desventaja consiste en que se pueden producir oscilaciones mucho más rápidamente en el circuito

de regulación, con lo que el ajuste mediante el regulador resulta más difícil.

Tiempo de acción derivada Debido a la parte D, este tipo de regulador es más rápido que un regulador P o un regulador PI. Esta

circunstancia se expresa a través del tiempo de acción derivada Tv. Este tiempo es aquél por el que el

regulador PID es más rápido que el regulador PI.

Diferencia de regulación e Valor de regulación yRegulador

e y

t tTn

Tn = Tiempo de reajusteTv = Tiempo de acción derivada

Tv



Resumen Tipo de regulador

Comportamiento en función del tiempo

Características

Diferencia deregulación

Regulador P

Apropiado si las exigencias en relación con la magnitud de

referencia son modestas. Regulación rápida, aunque sin

capacidad de compensar totalmente la diferencia de regulación.

Regulador I

Regulación lenta. Posibilidad de compensar completamente la

diferencia de regulación. En caso de producirse cambios grandes

de la magnitud perturbadora, el regulador integral tiende a ser

inestable.

Regulador D

Reacciona únicamente a cambios de la diferencia de regulación.

No se utiliza como único regulador.

Regulador PI

Los reguladores proporcionales suelen utilizarse en combinación

con una menor parte integral. De esta manera, es posible

compensar completamente la diferencia de regulación. Se trata

de una combinación de uso frecuente.

Regulador PD

Combinación poco común. Es apropiada en sistemas de

regulación en los que es necesario reaccionar rápidamente a

cambios grandes de la magnitud perturbadora.

Regulador PID

Se utiliza si el sistema de regulación debe cumplir criterios muy

estrictos. La parte proporcional provoca una regulación rápida,

mientras que la parte integral permite una mayor precisión. La

parte diferencial aumenta la velocidad de regulación.

1.3.5 Estructuración y parametrización de reguladores Los reguladores son parte integrante de sistemas de automatización, especialmente utilizados para

estabilizar los procesos. Se utilizan con los siguientes fines:

• Provocar determinados estados del proceso (modos de funcionamiento) y mantenerlos

automáticamente

• Eliminar los efectos que tienen las interferencias en la ejecución de los procesos

• Evitar un acoplamiento no deseado de procesos parciales dentro del proceso técnico

Definir dimensiones probando Este método para definir las dimensiones de cada una de las partes es apropiado en este caso, ya que se

trata de un sistema sencillo. En primer lugar, deberán ajustarse valores no críticos de las partes Kp, Ki y Kd.

Para ello, deberá elegirse un valor lo más pequeño posible de Kp, mientras que las otras dos partes se

ponen en cero (Kp pequeño, Kd=0, Ki=0).

A continuación se eleva lentamente la parte Kp (amplificación), hasta que la atenuación es deficiente.



Ejemplo: Robotino® View

Ajuste del regulador PID

En Robotino® View (con la ayuda de EA09 View) es sencillo regular las revoluciones de un motor de corriente

continua. Las partes Kp, Ki y Kd se ajustan mediante los cursores correspondientes.

Atenuación deficiente La atenuación es deficiente si se reducen las oscilaciones Amplitud de una oscilación.

Sin embargo, si surge la tendencia a producirse oscilaciones, deberá reducirse nuevamente la parte Kp.

A continuación se agrega la parte I, aumentándola paso a paso hasta que el resultado es más o menos

satisfactorio. Si el resultado sigue siendo poco satisfactorio, es posible agregar la parte D. Agregando la

parte D, puede estabilizarse la regulación. Si es así, pueden aumentarse nuevamente las partes Kp y Ki. Esta

operación se repite varias veces, hasta que el resultado resulta ser definitivamente satisfactorio.

Este método práctico y usual, aplicado para determinar los parámetros de regulación, no siempre es

óptimo. Sin embargo, es suficiente en sistemas como el que aquí se describe.

Otros métodos para ajustar los parámetros de regulación:

• Reglas de ajuste

• Método de oscilaciones

• Respuesta gradual

• Diagrama de Bode

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