Desarrollo y prueba de prácticas de control incorporando nuevas estrategias de aprendizaje

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(1)DESARROLLO Y PRUEBA DE PRACRTICAS DE CONTROL INCORPORANDO NUEVAS ESTRATEGIAS DE APRENDIZAJE. JUAN PABLO LUQUERNA RECALDE. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ D,C. 2006.

(2) DESARROLLO Y PRUEBA DE PRACRTICAS DE CONTROL INCORPORANDO NUEVAS ESTRATEGIAS DE APRENDIZAJE. JUAN PABLO LUQUERNA RECALDE. Trabajo de grado como requisito Para optar por el título de Ingeniero Electrónico Asesor: Mauricio Duque. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMETO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2006. 2.

(3) PAGINA DE ACEPTACIÓN. Nota de aceptación ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________. ______________________________ Presidente del jurado. ______________________________ Jurado. ______________________________ Jurado. 3.

(4) A mi familia, gracias por todo el apoyo que me brindaron durante esta etapa de logros personales y profesionales.. 4.

(5) AGRADECIMIENTOS. A. MAURICIO DUQUE. Ing. Eléctrico, quien colaboró con la realización de este proyecto.. A. todos quienes directa o indirectamente colaboraron con la realización de este proyecto.. 5.

(6) TABLA DE CONTENIDO RESUMEN. 9. 1. INTRODUCCION..........................................................................10 1.1.. Justificación .............................................................................................................10. 1.2.. Objetivo...................................................................................................................10. 2. CORRIENT ES PSICOLÓGICAS DE APRENDIZAJE .......................12 3. MODELO DE KOLB .....................................................................16 4. TENDENCIAS MUNDIALES .........................................................19 5. MODELO DE LAS UNIDADES DE LABORATORIO ......................21 5.1.. Guía del estudiante...................................................................................................22. 5.2.. Guía del asistente .....................................................................................................23. 5.3.. Estructura global del laboratorio ...............................................................................25. 6. RESULT ADOS DE PRUEBA .........................................................27 CONCLUSIONES................................................................................29 BIBLIOGRAFIA..................................................................................31 ANEXOS. 33. Guía del asistente …………………………………………………………………………….......….35 Guía del estudiante …………………………………………………………………………………..84. 6.

(7) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Ciclo de aprendizaje Kolb................................................................................16 Figura 2. Modelo de aprendizaje (Duque 2006)............................................................21. 7.

(8) LISTA DE TABLAS. Tabla I Estructura Global del Laboratorio......................................................................24 Tabla II Objetivos del Laboratorio...................................................................................25. 8.

(9) RESUMEN El documento muestra. la implementación de un modelo de aprendizaje. experimental basado en los marcos conceptuales sobre el aprendizaje propuestos por Kolb y Gesalt. Este marco conceptual de aprendizaje se aplicó al desarrollo de algunas unidades de laboratorio para sistemas de control en la Universidad de los Andes. Para ello, se menciona los fundamentos teóricos utilizados en la elaboración de las unidades de aprendizaje del laboratorio.. Las pruebas realizadas midieron el nivel de comprensión y análisis que tienen los alumnos a la hora de desarrollar estas unidades, así como los tiempos requeridos. El documento busca una alternativa frente al desarrollo tradicional del laboratorio, con el fin de convertirlo en una parte activa del desarrollo de la clase. La metodología propuesta fue probada con alumnos de ingeniería utilizando las unidades del laboratorio desarrolladas en este proyecto de grado sobre un proceso térmico.. 9.

(10) 1. INTRODUCCION 1.1. Justificación. E. n la Universidad de los Andes, existe una oportunidad de mejoramiento en las prácticas de laboratorio, debido a que las prácticas actuales no incorporan plenamente nuevas estrategias o modelos de aprendizaje humano basados en la experiencia. Esta situación limita el desarrollo de. nuevas competencias necesarias para un ingeniero en el siglo XXI (criterios ABET 2000), ya que no permiten al estudiante integrar cada uno de los conceptos de la clase con práctica correspondiente. Por otra parte, el aumento de los requerimientos a nivel mundial sobre la caracterización de los procesos industriales actuales, exigen un mayor nivel de compresión de las características del sistema para comprender su funcionamiento. Por este motivo, se puede realizar una reforma en las prácticas de laboratorio que permitan alcanzar los criterios establecidos en la lista de ABET 2000 para lograr un mayor nivel de cumplimiento.. Por este motivo, este documento aborda cada una de las partes desarrolladas en adaptación e implementación de las estrategias de aprendizaje dentro de las unidades de laboratorio desarrolladas en este proyecto. 1.2. Objetivo. Este trabajo tiene como objetivo desarrollar e implementar una metodología de aprendizaje en las prácticas de laboratorio de control, en donde se tiene en cuenta las diferentes características de motivación de las teorías de aprendizaje de Kolb y. 10.

(11) Gesalt en cada sesión de laboratorio para incentivar a los estudiantes en el desarrollo de las mismas.. 11.

(12) 2. CORRIENTES PSICOLÓGICAS DE APRENDIZAJE Desde los orígenes del desarrollo del conocimiento, se busca cuales son las herramientas o modelos de aprendizaje que utilizan los seres humanos para comprender las situaciones que se presentan en cada entorno en particular (Gigge and Hunt 1970). En la búsqueda de la solución a esta pregunta, en la edad media cada gran pensador recurría al autoanálisis como herramienta de solución a ésta pregunta, reflexionando en cada una de sus actividades diarias. Al pasar de los siglos, las técnicas utilizadas para encontrar la respuesta del método docente que tiene cada persona se fue formalizando a tal punto que se desarrollaron dos grandes corrientes de donde se desprende toda la teoría psicológica de educación que existe en la actualidad. Estas dos grandes corrientes son conocidas como acondicionamiento de estímulo-respuesta y las teorías cognoscitivas de campo de Gestalt [1].. La primera corriente psicológica a estudiar, es el método de estímulo-respuesta. Este se basa en la creación de estímulos enfocados hacia el conocimiento que se desea transmitir, con el fin de generar la respuesta adecuada a ese estímulo (la respuesta se conocía como el conocimiento transmitido). Este procedimiento se utiliza gracias a que el conocimiento se crea a través de asociaciones, ya que la mente logra saber como se debe comportar frente a situaciones específicas [2].. El desarrollo de este tipo de visión sobre el aprendizaje cuenta con herramientas de reforzamiento, diseñadas a establecer la respuesta deseada de un estímulo en particular, por un período de tiempo largo. Estas herramientas de reforzamiento son: Reforzamiento positivo y reforzamiento negativo [1, 2].. 12.

(13) Para una adecuada aplicación de esta estrategia, el proceso de aceptación o rechazo de la respuesta, debe realizarse al mismo tiempo que se presenta el estímulorespuesta. Esto se realiza con el fin de permitir al alumno (o la persona que esté entrenándose),. realizar la asociación correspondiente que le indique si su. respuesta es o no adecuada al estímulo presentado [1].. En contraposición a la teoría presentada anteriormente, está el movimiento de las teorías de campo de Gestalt. Ésta se basa en la creación (o construcción) de conocimiento a partir de la experiencia de cada persona durante su proceso de aprendizaje, es decir, esta visión está enfocada a estimular a las personas para encontrar solución a sus deficiencias cognoscitivas a través de sus propios medios [2].. Este tipo de enfoque propone cuatro pasos para la creación de conocimiento en los seres humanos, los cuales son: reconocimiento y definición de un problema, formulación de hipótesis, elaboración de implicaciones lógicas de la hipótesis y pruebas de hipótesis. Cada uno de estos pasos es desarrollado de forma individual y de forma consecutiva, ya que cada persona crea su propia formulación debido a su propio análisis. Este proceso también se puede ver como un procedimiento de autoaprendizaje.. Un ejemplo que evidencia todos los argumentos mostrados anteriormente para esta metodología de aprendizaje, es en el momento que un profesor trata de guiar a un alumno en la búsqueda de la solución de un problema determinado, es decir, cuando el profesor trata de dar pistas que sean lo suficientemente claras para que el estudiante pueda analizar la situación y plantear la hipótesis necesaria [2].. En esta parte del trabajo se evidencia que esta corriente psicológica se basa en el pensamiento reflexivo, es decir, en el pensamiento que tiene cada persona en el. 13.

(14) momento de realizar una actividad para crear conocimiento. Este fenómeno, se presenta gracias a que cada persona evalúa su resultado y experiencia obtenida particular frente a un estímulo dado con el fin de ampliar su conocimiento. Las etapas que tiene una persona al recibir un estimulo son: aceptación de un concepto a conclusión, los conocimientos son provisionales y los conocimientos son coherentes unos con los otros. Cada una de estas etapas se presenta en la adquisición de conocimiento, gracias a que cada persona en el momento de crear conocimiento propio, debe aceptar las conclusiones o ideas que tiene en ese momento. Además, como este conocimiento se realiza por medio de la experimentación, puede presentarse un cambio en el conocimiento adquirido por experiencias futuras [1].. Es necesario aclarar, que cada pensamiento o idea desarrollada, siempre estará relacionada con los conocimientos obtenidos anteriormente, ya que no pueden existir dos conceptos contradictorios o ser verdaderos simultáneamente ya que una experiencia futura reemplaza o refuerza la noción ya adquirida [2].. Teniendo en cuenta las características de las teorías educativas explicadas anteriormente, se puede afirmar que la corriente a seguir a lo largo del desarrollo de este trabajo es la teoría de campo de Gestalt, debido a que presenta un enfoque de autoaprendizaje que permite a los estudiantes a encontrar la solución de sus problemas por medio del uso sus propios conceptos.. Es necesario aclarar que la corriente de estímulo y respuesta no se puede dejar a un lado completamente, ya que las metodologías de aprendizaje no son únicas o absolutas (Gigge 1971). Por este motivo, se debe buscar siempre un punto medio en el cual se lleve a los estudiantes a guiarlos de la forma deseada, teniendo. 14.

(15) presente que existen otro tipo de metodologías que pueden ser utilizadas como herramientas alternativas en el método docente.. Una visión ulterior a las teorías de campo de Gestalt proviene de la pedagogía de la investigación, que retoma elementos ya definidos anteriormente, pero enmarcándolos en el que hacer del científico, con momentos característicos de cuestionamiento,. experimentación,. observación,. reflexión. y. finalmente. conceptualización.. 15.

(16) 3. MODELO DE KOLB El modelo de Kolb se basa en al experiencia en los procesos de aprendizaje. Este modelo se constituye por cuatro momentos: experiencia concreta, observación y reflexión, conceptualización abstracta y experimentación activa.. Estos cuatro elementos forman un ciclo el cual muestra los distintos pasos a seguir para la construcción de conocimiento. La relación que existe entre cada uno de los elementos del modelo se muestra en la figura 1. Es necesario aclarar que el proceso de aprendizaje puede iniciar en cualquiera de los estados mencionados.. Figura 1 . Ciclo de aprendizaje Kolb. 16.

(17) El recorrido a través del ciclo de Kolb empezando desde la experiencia es así; el elemento de la. experiencia concreta lleva inmediatamente a observaciones y. reflexiones las cuales son asimiladas como conceptos abstractos que mediante acciones, la persona que está en el proceso puede probarlos y experimentarlos.. Los elementos del ciclo de Kolb se pueden relacionar por medio de procesos que desarrolla una persona en su vida diaria. Estos procesos son el sentir (Experiencia concreta), ver (Observación y reflexión), pensar (Conceptualización abstracta) y hacer (Experimentación activa) [3].. A partir de este modelo, Kolb define cuatro estilos de aprendizaje: convergente, divergente, asimilador y acomodador. El primero reúne la conceptualización abstracta y la experimentación activa por medio de características de fortaleza en la aplicación de ideas. La segunda muestra la experiencia concreta y la observación junto con la reflexión por medio de características de gran habilidad imaginativa. El tercero se basa en la conceptualización abstracta y la observación y reflexión por medio de habilidades de razonamiento inductivo. El último reúne la experiencia concreta y la experimentación como una característica para resolver problemas intuitivamente [3].. Dado la simplicidad del modelo, éste es parte fundamental del modelo utilizado para la elaboración de las unidades del laboratorio.. Este modelo propuesto por Kolb tiene un gran parecido al de la pedagogía de la investigación (indagación), pues describe momentos similares, lo cual podría ser una evidencia de que la aproximación por indagación, enmarcada en el campo de. 17.

(18) las ciencias naturales, podría tener una aplicación mas extensa que las ciencias naturales.. 18.

(19) 4. TENDENCIAS MUNDIALES Las tendencias mundiales en prácticas de laboratorio ofrecen un marco de referencia, el cual permite conocer cuales son las metas a alcanzar en el desarrollo de modelo de las unidades de laboratorio. Esto permite realizar una adecuación de las metodologías de aprendizaje y trabajar los conceptos necesarios para un desarrollo del curso adecuado. Al observar las prácticas de laboratorio desarrolladas en el MIT, se encuentra que la formulación de las guías se desarrolla a partir de los conceptos que se desarrollarán dentro de la clase [4].. Desde el principio de las clases, a los alumnos se les asigna un proyecto el cual se va a desarrollar a lo largo de todo el periodo estudiantil en donde se desea que ellos implementes los diferentes reguladores aprendidos bajo sus propias condiciones, siguiendo las restricciones de operación establecidas sin importar con que herramientas o medio logren solucionar esta labor [4].. Un proyecto creado para estudiantes de último grado de educación secundaria (12° grado), se basa en el desarrollo de un proyecto de simulación con el mínimo de conocimientos formales aprendidos, con el fin de buscar la información necesaria para la realización de las actividades solicitadas. Estas guías se relacionan entre ellas mismas con el fin de integrar los diferentes conceptos estudiados en la búsqueda de la solución del problema planteado en cada práctica de laboratorio [5]. Estas prácticas están diseñadas para personas con mínimos conocimientos en el área de control, lo que permite a cualquier persona interesada en el tema encontrar su solución (como por ejemplo estudiantes de primer semestre) y explorar esta disciplina. 19.

(20) Estos ejemplos de prácticas de laboratorio, muestran alguna tendencia mundial se hacia la elaboración de prácticas con algún nivel de incertidumbre con el fin de permitirle al estudiante explorar diferentes alternativas y confrontarlo con problemas más realistas. De esta forma, el estudiante evalúa sus opciones e identifica cual es la mejor solución.. 20.

(21) 5. MODELO DE LAS UNIDADES DE LABORATORIO La estructura desarrollada para las unidades del laboratorio se basa en momentos del modelo de Kolb, las teorías de Gestalt y el desarrollo realizado a nivel mundial sobre el aprendizaje activo, incluyendo la pedagogía de la investigación.. Figura 2 . Modelo de aprendizaje (Duque 2006). Para incluir los aspectos mencionados anteriormente (secciones 2, 3 y 4), la base de la estructura de las unidades de laboratorio está fundamentada en el ciclo de Kolb, con los momentos de indagación, con el fin de presentar problemas que permitan a los estudiantes construir conocimientos a partir de la experiencia. Las teorías de Gestalt se usan como catalizadores en las transiciones de cada una de las etapas del ciclo de Kolb (procedimiento realizado por parte del asistente del laboratorio). Por otra parte, las tendencias mundiales sugieren incluir objetivos en forma de competencias.. 21.

(22) La integración realizada de las diferentes teorías de aprendizaje se muestra en la figura 2. Esta figura resume los procesos en los que se ve envuelto cada estudiante con el desarrollo de cada una de las unidades del laboratorio. Así, los estudiantes participan de forma activa en el desarrollo de su propio conocimiento.. En el desarrollo de las unidades del laboratorio, se encuentran involucradas diferentes tipos de personas: estudiantes y asistentes de laboratorio. Dado a esta diferencia entre las personas involucradas en la elaboración de las unidades, es necesario realizar una aproximación diferente sobre la estructura de aprendizaje de la estrategia desarrollada, con el fin de tener en cuenta los puntos más importantes de los métodos de aprendizaje y permitir el desarrollo aproximado del ciclo de Kolb en cada una de las unidades desarrolladas.. La estructura está divida en dos partes: documento para el estudiante y documento para el instructor. Éstas buscan orientar a todas las personas involucradas en el desarrollo de las sesiones de laboratorio dentro del ciclo de Kolb para fomentar el desarrollo de conocimiento por medio de la experiencia. 5.1. Guía del estudiante. La guía del estudiante está compuesta por 5 problemáticas concatenadas frente a un mismo sistema (o planta a analizar); regular un sistema térmico de dos cámaras. La guía del estudiante está compuesta por tres categorías por cada reto establecido: Exploración previa, desarrollo de la unidad y cierre de la unidad. En la primera categoría, el estudiante se enfrenta a una serie de preguntas abiertas las cuales buscan que él evidencie su nivel de conceptualización de los temas a trabajar. De esta forma, el estudiante identifica cuales son sus falencias y puede investigar sobre el tema para elaborar la solución a la problemática dada.. 22.

(23) La segunda etapa de la guía, el estudiante utiliza los conocimientos recordados en la categoría anterior para implementar las soluciones al reto establecido, teniendo en cuenta las restricciones de tiempo y recursos establecidos. A la vez, esta etapa presenta restricciones en la problemática claves, las cuales obligan al estudiante a utilizar su intuición para resolver el problema dado.. En la tercera etapa el estudiante analiza los procedimientos realizados para solucionar el reto establecido, con el fin de conceptualizar los métodos o teorías utilizadas para la solución de la problemática.. El desarrollo del ciclo de Kolb está incluido en cada una de las problemáticas presentadas, con el fin de potenciar la construcción de conocimiento de los estudiantes con cada experimentación que realicen durante la solución de cada uno de los problemas. Los estudiantes estarán en cada una de las etapas por medio del sentir (experiencia concreta), de ver (observación y reflexión), de pensar (conceptualización) y del hacer (experimentación activa). 5.2. Guía del asistente o instructor. La guía del asistente está configurada con los mismos retos o problemáticas presentados en la guía del estudiante, en donde por cada reto presentado se indica el comportamiento que debe tener para llevar a los estudiantes a través de cada una de las etapas presentadas en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia... Además, esta guía indica al asistente del laboratorio las características más importantes del modelo de aprendizaje de Kolb. De esta forma, se asegura que la. 23.

(24) persona encargada de guiar el aprendizaje de los estudiantes tenga una noción sobre las diferentes etapas que debe pasar el estudiante en la construcción de sus conocimientos. Por otra parte, esta guía indica puntos a tener en cuenta en las diferentes etapas de desarrollo de las unidades con el fin de brindar una ayuda al asistente sobre su comportamiento frente a las adversidades que encontraran los estudiantes en el desarrollo de su unidad. TABLA I. ESTRUCTURA GLOBAL DEL LABORATORIO UNIDAD. SESIONES. 1. 2. 2. 3. 3. 2. 4. 2. 5. 2. TIEMPO TOTAL PREVISTO 6 horas (2 de investigación previa y 4 de trabajo en el laboratorio) 9 horas (3 de investigación previa y 6 de trabajo en el laboratorio) 6 horas (2 de investigación previa y 4 de trabajo en el laboratorio) 6 horas (2 de investigación previa y 4 de trabajo en el laboratorio) 6 horas (2 de investigación previa y 4 de trabajo en el laboratorio). Estos laboratorios están diseñados para un total de 44 horas, esto es un crédito académico según el decreto sobre créditos académicos. Por ultimo, cada guía desarrollada indica la forma de evaluar formativamente al estudiante a partir del progreso realizado y del proceso realizado en el desarrollo de las unidades. Este método de evaluación busca que el estudiante participe. 24.

(25) activamente en su evaluación argumentando y justificando los procedimientos realizados en el desarrollo de las unidades, permitiendo que él mismo encuentre sus avances o dificultades por medio de confrontación directa ayudado por el asistente. 5.3. Estructura global del laboratorio. Las prácticas desarrolladas están organizadas como se muestra en la tabla 1. Esta tabla indica el numero de sesiones de laboratorio utilizados en cada unidad y el tiempo previsto para cada solución teniendo en cuenta el tiempo necesario extracurricular.. El estudiante PODRA: UNIDAD. TABLA II. OBJETIVOS DEL LABORATORIO. OBJETIVOS Identificar las características básicas de operación de los equipos especializados (Multímetro digital y fuente). Establecer comunicación entre la tarjeta de adquisición de datos y Labview.. 1. Identificar las herramientas de manejo de tarjetas de adquisición de datos de Labview para establecer una comunicación entre el computador y la tarjeta de adquisición de datos. Obtener mediciones de las variables físicas (temperatura y voltaje) a través de la tarjeta de adquisición de datos por medio del software de Labview. Diseñar e implementar el montaje de un horno de dos cámaras.. 2. Obtener un modelo valido del horno en forma de función de transferencia. Verificar la correcta identificación del horno por medio de simulación.. 25.

(26) UNIDAD 3. OBJETIVOS Diseñar un regulador tipo On-Off para el horno de dos cámaras. Simular el comportamiento del controlador diseñado. Probar el funcionamiento del regulador con la planta real. Diseñar un regulador proporcional para cada una de las cámaras del horno secuencialmente.. 4. Simular el comportamiento del sistema controlado. Definir las similitudes y diferencias entre los reguladores proporcionales y On-Off. Probar el funcionamiento de los reguladores con la planta real. Diseñar un regulador proporcional integral para cada una de las cámaras del horno secuencialmente.. 5. Simular el comportamiento del sistema controlado. Definir las relaciones entre los reguladores diseñados en el desarrollo de las unidades. Probar el funcionamiento de los reguladores en la planta real.. Los objetivos de cada una de las unidades se encuentran en la tabla 2. Estos objetivos están construidos de forma que los estudiantes desarrollen habilidades y actitudes para la solución de los problemas presentados en cada unidad.. 26.

(27) 6. RESULTADOS DE PRUEBA. Para probar el desempeño de las unidades de laboratorio y los pasos del desarrollo del ciclo de Kolb en cada una de éstas, se reunió a un grupo de 10 estudiantes con conocimientos básicos en el área de control. Luego, este grupo se dividió en parejas las cuales cada una resolvió una de las problemáticas presentadas en la unidad del estudiante.. Al final de la sesión, se entrevistó a cada una de las parejas con el fin de recibir la realimentación del caso. En esta realimentación se buscó identificar el tiempo necesario para la solución de cada una de las problemáticas y obtener una opinión personal de cada grupo de estudiantes sobre el método utilizado en las guías.. La realimentación arrojó resultados poco esperados en el manejo de tiempo para el desarrollo de las guías, debido a que los estudiantes necesitaban una mayor cantidad de tiempo para solucionar cada uno de los aspectos tratados en las diferentes problemáticas. Por este motivo, a cada grupo se le midió el tiempo empleado en la solución de la unidad asignada con el fin de recalcular el tiempo previsto para la solución de cada unidad. Esta situación dio como resultado el tiempo previsto actual establecido en cada unidad de la guía del estudiante.. Dado que solo se realizó una prueba para cada una de las unidades presentadas en la guía del estudiante, el ajuste de tiempo en cada una de éstas no se encuentra establecido por un valor promedio estadístico de resultados de pruebas, sino en un estimado teniendo en cuenta el tiempo utilizado por el autor y por cada uno de los grupos de estudiantes para el desarrollo de cada unidad. Por esta razón, es necesario realizar un mayor número de pruebas para obtener el tiempo medio real. 27.

(28) promedio de solución de cada una de las unidades de la guía de estudiante, de esta forma se garantiza un desarrollo de la guía de forma esperada.. Para validar la utilización de estas nuevas prácticas de laboratorio, es necesario realizar un número mayor de pruebas que permitan analizar la utilidad de esta aproximación en el desarrollo de clases activas de laboratorio y corregir los problemas de disponibilidad de tiempo en la realización de cada problemática.. Teniendo un número mayor de pruebas de las unidades desarrolladas, se puede realizar una comparación entre las prácticas actuales y la aproximación de aprendizaje a partir de la experiencia de este documento. Por otra parte, la encuesta realizada a los estudiantes realizada para conocer su opinión personal sobre la metodología de laboratorio presentada arrojó resultados positivos, gracias a que los alumnos apoyaban más este tipo de prácticas debido a que el desarrollo de las mismas se torna más interesante por la participación activa de los estudiantes dentro de la búsqueda de la solución.. 28.

(29) CONCLUSIONES El curso de sistemas de control presenta una gran oportunidad para desarrollar un curso en donde los estudiantes participen de forma activa, es decir, los estudiantes desarrollen actividades con las cuales aumenten sus conocimientos en esta área gracias a la variedad de proyectos que se pueden desarrollar para esta meta. Las metodologías de aprendizaje de Kolb y las teorías de Gestalt son una herramienta muy eficaz para desarrollar una estrategia de aprendizaje basada en aprendizaje activo.. El laboratorio del curso de sistemas de control tiene la suficiente flexibilidad para reformar la metodología utilizada tradicionalmente, partiendo del desarrollo de guías de laboratorio donde éste se convierte en parte activa del desarrollo del curso. Este planteamiento permite realizar reestructuraciones en las prácticas de laboratorio que dejen a los estudiantes encontrar solución a los retos establecidos por sus propios medios. Las guías de laboratorio elaboradas en este proyecto de grado permiten observar el desarrollo de un modelo de laboratorio basado en unidades teniendo en cuenta los procesos de transición entre las etapas de aprendizaje.. Los asistentes de laboratorio juegan un papel importante en la implementación de la metodología de aprendizaje de este proyecto, por esta razón, es necesario dar una guía especializada a los asistentes con el fin de evitar distorsiones en la implementación de la metodología en los estudiantes.. 29.

(30) Los pruebas realizadas con las guías de laboratorio elaboradas en este proyecto de grado mostraron que este tipo de metodología se puede realizar utilizando sistemas de análisis sencillos, en las cuales los estudiantes tienen una construcción de conceptos mas duradera y integrable con la teoría adquirida en clase magistral.. 30.

(31) BIBLIOGRAFIA [1]. M. L. Gigge & M. P. Hunt, (1970), Bases psicológicas de la educación, Editorial trillas, México D.C.. [2]. M. L. Gigge (1971), Learning theories for teachers, Harper & Row.. [3]. National Research Council, NAP (2000). How people learn: Brain, Mind, Experience, and school, National Academy Press.. [4]. National Research Council, N., Ed. (2000). Inquiry and the national science education standards: a guide for teaching ands learning, National Academies Press, National academies.. [5]. Stone, M., V. Boix, et al. (1998). Teaching for understanding: linking research with practice, Jossey-bass publishers.. [6]. Kolb, D. (1984). Experiencial learning: experience as The Source of Learning and Development. New Jersey, Prentice Hall.. [7]. M. Duque (2006). Competencias y aprendizaje activo en ingeniería.. [8]. J. T. Gravdahl & O. Egeland (2004), New ungraduate courses in control, IEEE Control System Magazine, vol 4.. [9]. M. L. Ho, A. B. Rad y P. T. Chan (2004), Project based learning, Desing of a prototipe semiautonumous vehicle, IEEE Control System Magazine, Vol 2.. 31.

(32) [10] H. Ronald (2000), The Role of Experience in learning, Journal of Technology Education, Vol. 11 No. 2.. [11] D.R. Brodeur (2004), Problem-based Learning on Professional Education, Massachusetts institute of Technology, Abril.. 32.

(33) ANEXOS. 33.

(34) Universidad de los Andes Departamento de ingeniería eléctrica y electrónica. LABORATORIO DE ANÁLISIS DE SISTEMAS DE CONTROL. UNIDAD DEL ASISTENTE. 34.

(35) TABLA DE CONTENIDO. INTRODUCCION ………………………………………………………….39 M odelo de aprendizaje ...................................................................................................... 39 Guiando al alumno ............................................................................................................ 41. UNIDAD 1: IMPLEMENTACIÓN DE UN TERMÓMETRO DIGITAL. …………...………………………………………42 Resumen ............................................................................................................................ 42 Objetivos ........................................................................................................................... 42 M ateriales .......................................................................................................................... 42 Tiempo previsto................................................................................................................. 43 Conceptos que se trabajarán en esta sesión....................................................................... 43 Guiando al alumno ............................................................................................................ 43 Como se podría abordar el problema ................................................................................ 43 Sensor de temperatura................................................................................................... 44 Amplificador operacional ............................................................................................. 44 Calibración del sensor................................................................................................... 45 Tarjeta de adquisición de datos..................................................................................... 45 Caracterización dinámica del sistema........................................................................... 46 Trabajo a realizar en cada sesión .................................................................................. 46 Bibliografía recomendada y enlaces de interés ................................................................. 46 M atriz de evaluación ......................................................................................................... 47. UNIDAD 2: IMPLEMENTACION DE HORNO DE DOS CÁMARAS… ……………………………………………….48 Resumen ............................................................................................................................ 48 Objetivos ........................................................................................................................... 48 M ateriales .......................................................................................................................... 48 Tiempo previsto................................................................................................................. 49 Conceptos que se trabajarán en esta sesión....................................................................... 49 Guiando al alumno ............................................................................................................ 49 Como se podría abordar el problema ................................................................................ 49.

(36) Sistema térmico ............................................................................................................ 50 Caracterización del sistema .......................................................................................... 51 Simulación del comportamiento del sistema ................................................................ 51 Trabajo a realizar en cada sesión .................................................................................. 51 Bibliografía recomendada y enlaces de interés ................................................................. 53 M atriz de evaluación ......................................................................................................... 54. UNIDAD 3:CONTROL DE PROCESO DE HORNO DE DOS CAMARAS. ………………………………………………... 55 Resumen ............................................................................................................................ 55 Objetivos ........................................................................................................................... 55 M ateriales .......................................................................................................................... 55 Tiempo previsto................................................................................................................. 55 Conceptos que se trabajarán en esta sesión....................................................................... 56 Guiando al alumno ............................................................................................................ 56 Como se podría abordar el problema ................................................................................ 56 Controlador On-Off y realimentación .......................................................................... 57 Simulación del controlador........................................................................................... 57 Implementación del controlador On-Off con el proceso real ....................................... 57 Trabajo a realizar en cada sesión .................................................................................. 58 Bibliografía recomendada y enlaces de interés ................................................................. 58 M atriz de evaluación ......................................................................................................... 59. UNIDAD 4: CONTROLADOR PROPORCIONAL DE HORNO DE DOS CAMARAS.. ……………………………………….60. Resumen ............................................................................................................................ 60 Objetivos ........................................................................................................................... 60 M ateriales .......................................................................................................................... 60 Tiempo previsto................................................................................................................. 61 Conceptos que se trabajarán en esta sesión....................................................................... 61 Guiando al alumno ............................................................................................................ 62 Como se podría abordar el problema ................................................................................ 62 Controlador proporcional.............................................................................................. 62 Simulación del controlador........................................................................................... 63. 36.

(37) Implementación del controlador proporcional en el proceso real ................................ 63 Trabajo a realizar en cada sesión .................................................................................. 64 Bibliografía recomendada y enlaces de interés ................................................................. 64 M atriz de evaluación ......................................................................................................... 65. UNIDAD 5: ELIMI NACIÓN DEL ERROR EN REGIMEN PERMANENTE EN EL HORNO DE DOS CAMARAS. 66 Resumen ............................................................................................................................ 66 Objetivos ........................................................................................................................... 66 M ateriales .......................................................................................................................... 67 Tiempo previsto................................................................................................................. 67 Conceptos que se trabajarán en esta sesión....................................................................... 67 Guiando al alumno ............................................................................................................ 67 Como se podría abordar el problema ................................................................................ 67 Controlador proporcional integral ................................................................................ 68 Simulación del controlador........................................................................................... 68 Implementación del controlador proporcional en el proceso real ................................ 69 Trabajo a realizar en cada sesión .................................................................................. 69 Bibliografía recomendada y enlaces de interés ................................................................. 71 M atriz de evaluación ......................................................................................................... 72. ANEXOS ……………………………………………………………..……..73 Herramientas de Labview .................................................................................................. 73 DAQ Assistant.............................................................................................................. 73 Waveform to Spreadsheet File.vi ................................................................................. 75 Trigger and Gate ........................................................................................................... 75 Formula......................................................................................................................... 76 Herramientas de M atlab .................................................................................................... 77 Transfer Fcn.................................................................................................................. 77 Scope............................................................................................................................. 77 Step ............................................................................................................................... 78 Relay ............................................................................................................................. 79 Gain............................................................................................................................... 79. 37.

(38) TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Aprendizaje por la experiencia, indagación y meta cognición........... 40 Ilustración 2: Diagrama de conexión de LM35.............................................................. 44 Ilustración 3: Diagrama de conexión a) LM324 y b) TL084.......................................... 44 Ilustración 4: Diagrama general de conexión global del sistema................................ 45 Ilustración 5: Configuración esperada del sistema....................................................... 51 Ilustración 6: Simulación del sistema térmico en Matlab............................................. 51 Ilustración 7: Diagrama de bloques de un controlador on-off.................................... 57 Ilustración 8: Diagrama de bloques de un controlador proporcional........................ 63 Ilustración 9: Diagrama de bloques general de un controlador PI............................. 69 Ilustración 10: Parámetros – Transfer Fcn...................................................................... 77 Ilustración 11: Parámetros - Scope .................................................................................. 78 Ilustración 12: Parámetros - Step..................................................................................... 78 Ilustración 13: Parámetros - Relay................................................................................... 79 Ilustración 14: Parámetros - Gain.................................................................................... 79. 38.

(39) INTRODUCCION La unidad del asistente, es una ayuda elaborada para dar una idea a los asistentes de laboratorio, de cómo orientar a los alumnos dentro de su proceso de aprendizaje, teniendo en cuenta, la metodología de aprendizaje que se ha ido implementando en el área de la ingeniería. Estas unidades de laboratorio están centradas a cambiar la metodología de desarrollo de las clases tradicionales de laboratorio, convirtiéndolas en parte activa de la clase magistral. De esta forma, las clases de laboratorio son un complemento donde el estudiante puede observar la aplicabilidad de los conceptos vistos en clase y reforzar sus conocimientos para que estos sean más perseveros. Para convertir el laboratorio en parte activa de desarrollo de la clase, se formularon las 1 siguientes preguntas : 1) ¿Cómo plantear objetivos en términos de competencias? 2) ¿Qué estrategias pedagógicas se pueden utilizar para su desarrollo? 3) ¿Cómo evaluar? Estas preguntas permiten crear una serie de unidades (unidad del asistente y del estudiante) las cuales llevan a presentar problemas en forma de proyectos o de problemas específicos. De esta forma, las unidades del laboratorio forman un conjunto de retos o desafíos a desarrollar bajo la metodología de cada uno de los grupos de trabajo, teniendo en cuenta las restricciones de operación y diseño especificados en cada una. Para encontrar un punto de equilibrio adecuado en la formulación de los problemas presentados en cada unidad, se utilizó la experiencia adquirida por el profesor M auricio Duque en el desarrollo del curso de sistemas de control. Las respuestas a las preguntas buscan dar el nuevo rumbo al laboratorio con el fin de llevar a los estudiantes a través de las diferentes etapas del modelo de aprendizaje. Modelo de aprendizaje Los modelos de aprendizaje se han desarrollado por varios años, con el fin de encontrar una metodología que ayuda a obtener los conceptos vistos de la mejor forma. Para este caso en particular, la metodología de aprendizaje expuesta es elaborada para la ingeniería partiendo de la experiencia (modelo de Kolb) y del modelo de indagación (modelos enseñanza2 aprendizaje) . Estos dos modelos se pueden ver resumidos en la siguiente gráfica:. 1 2. M. Duque. “ competencias, aprendizaje activo e indagación: un caso práctico en ingeniería,” Ibidem. 39.

(40) Experimentación Solución de problemas Pruebas Prot ot ipos Bús quedas. Experiencia Percepción. Actividad Cuestionamiento Hipót esis , Predicciones Explicaciones. ¿Qué debo aprender? ¿Cómo lo puedo. Observación M edición Det ección de pat rones Anális is Organizar información. Acción ext erna. Acción int erna Reflexión Construcción Teorías Ent endimient o M odelos Pregunt as Conceptualización Confront ación con el. Meta co gnición. ¿Qué aprendí? ¿Cómo aprendí?. Ilustración 1: Aprendizaje por la experiencia, indagación y meta cognición3. La ilustración 1 indica los diferentes procesos que debe cumplir cada estudiante para lograr reforzar o adquirir los conceptos vistos en el desarrollo de cada una de las unidades del laboratorio. Los ciclos de aprendizaje se pueden empezar desde cualquier punto siempre y cuando se logre completarlo pasando por cada uno de los pasos. Para este caso en particular, el ciclo de aprendizaje en los estudiantes comienza en el cuestionamiento. El desarrollo de las diferentes etapas de la metodología de aprendizaje mostrada anteriormente dentro de las unidades de laboratorio, se desarrollan así: en la etapa de cuestionamiento, los estudiantes resolverán las preguntas de exploración previa las cuales harán que ellos elaboren una serie de hipótesis para resolver el problema presentado. La tapa de experiencia se presenta cuando los grupos interactúan con el comportamiento de la planta, conociendo el comportamiento de la misma por medio de la experimentación. La reflexión se presenta cuando los estudiantes resuelven las preguntas de cierre de la unidad y la reflexión se evidencia en el momento que los estudiantes comparan sus respuestas iniciales con los resultados obtenidos. Usted como asistente de laboratorio, debe ayudar a los estudiantes a pasar a través de cada una de las etapas mencionadas anteriormente por medio de preguntas que estimulen la curiosidad de ellos. Se debe recordar que usted debe orientarlos y no indicarles las respuestas esperadas, para ello, debe cuestionar a los estudiantes cada vez que logren un resultado con el fin de introducirlos a la etapa de reflexión y en caso de no conocerse la respuesta, ellos pueden volver a la parte de experimentación y comprobar sus hipótesis planteadas.. 3. M. Duque. “ competencias, aprendizaje activo e indagación: un caso práctico en ingeniería,”. 40.

(41) Guiando al alumno En el proceso de aprendizaje, es necesario tener en cuenta ciertas características en la metodología a seguir dentro de todas las unidades del laboratorio, con el fin estimular al estudiante a pasar por las diferentes fases de aprendizaje descritas anteriormente dentro del desarrollo de cada unidad. Los pasos a tener en cuenta son: Se deberá hacer una breve introducción al estudiante sobre la metodología de aprendizaje de este material y la forma de manejo descrita a lo largo de este documento. Cada unidad gira en torno a una problemática o un reto particular. Antes de comenzar a desarrollar la unidad, el estudiante debe responder un conjunto de preguntas que buscan evidenciar que conoce sobre el tema. Solicítele hacerlo antes de iniciar. No se espera que el estudiante responda con la respuesta que usted espera a estas preguntas. Durante el desarrollo de la unidad, el estudiante deberá resolver las preguntas de desarrollo de la unidad. Usted como asistente deberá asesorar al estudiante para la ejecución de ésta sin indicar cual es una posible solución ni forzar al estudiante a que se coloque la respuesta que usted espera. M ás bien debe confrontar al estudiante en sus conclusiones con las evidencias. Faltando diez minutos para el final de la unidad, los estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de unidad, recuerde que estas son preguntas de reflexión importantes en la fase de conceptualización. En este punto el estudiante debe volver sobre las preguntas inicialmente aportadas y analizar sus propias respuestas. Nuevamente no se espera que haya una evolución importante entre sus respuestas iniciales y finales. Si encuentra incoherencias, confronte al estudiante con estas por medio de preguntas. El estudiante es quien deberá buscar soluciones a las incoherencias. Este proceso se debe realizar en la sesión final de cada unidad. Los pasos mencionados anteriormente, no son los únicos factores a tener en cuenta en el desarrollo de la unidad, mas bien estos son algunos consejos para ayudar a los estudiantes a pasar por las diferentes fases de aprendizaje más rápidamente. Así, se puede asegurar que el desarrollo de las unidades no es una práctica sin fundamentos sino que ayudan a construir conocimientos en cada estudiante. Dentro de cada unidad hay otras ayudas adicionales para llevar al estudiante a través del proceso de aprendizaje en cada unidad. Es necesario tener en cuenta que esta metodología de aprendizaje no es una “receta”, por lo contrario, es una metodología para que cada estudiante logre adquirir su propio conocimiento de acuerdo a sus experiencias vividas por medio de la ayuda del asistente de laboratorio.. 41.

(42) UNIDAD 1: IMPLEMENTACIÓN DE UN TERMÓMETRO DIGITAL. Sesión 1 y 2: Medición, acondicionamiento, adquisición y visualización de una variable física (temperatura).. Resumen El estudiante tendrá la oportunidad de trabajar con un sensor de temperatura, el cual deberá utilizar para medir temperatura en el laboratorio. Además capturará la señal proveniente de este sensor por medio de un sistema de adquisición de Labview y la visualizará en la pantalla. Una vez visualizada la temperatura, utilizará un termómetro digital para calibrar y caracterizar el sistema de medición de temperatura desarrollado utilizando alguna fuente de calor. Por medio de esta actividad el estudiante podrá familiarizarse con la medición, acondicionamiento, adquisición y visualización de una variable física. Se espera que el estudiante identifique igualmente las entradas y las salidas de este sistema de medición.. Objetivos Identificar las características básicas de operación de los equipos especializados (M ultímetro digital y fuente). Establecer comunicación entre la tarjeta de adquisición de datos y Labview. Identificar las herramientas de manejo de tarjetas de adquisición de Labview para establecer una comunicación entre el computador y la tarjeta de adquisición de datos. Obtener mediciones de las variables físicas (temperatura y voltaje) a través de la tarjeta de adquisición de datos por medio del software de Labview.. Materiales. 42.

(43) Sensor LM 35. Fuente de voltaje. M ultímetro digital. Circuito integrado LM 324 ó TL084. Tarjeta de adquisición de datos PCI 6221. Protoboard. 2 Trimer de 10 KΩ.. Tiempo previsto Trabajo de laboratorio cuatro horas (dos sesiones de laboratorio). Trabajo de exploración previa estimado una hora.. Conceptos que se trabajarán en esta sesión. • • • • •. Sistemas y señales. Adquisición de datos. M edición, calibración, precisión, exactitud. Acondicionamiento de señales. Visualización de variables físicas.. Guiando al alumno • •. La unidad gira en torno al desarrollo de un sistema de monitoreo de la temperatura utilizando elementos computacionales. Durante el desarrollo de la práctica se pretende que el estudiante manipule el sensor, las componentes electrónicas, la tarjeta de adquisición de datos y Labview sin necesidad de aplicar conocimientos previos con el fin de ilustrar su funcionamiento para prácticas futuras.. Como se podría abordar el problema Para hablar de medición, acondicionamiento, adquisición y visualización de una variable física, necesariamente se necesita definir que es una variable física. Una variable física se define como un factor o característica que puede variar dentro de las propiedades, cambios, interacción u otros aspectos de la materia y la energía (temperatura, presión, masa, 4 volumen) . El siguiente paso a definir son los transductores. Un transductor es un dispositivo que transforma una variable física en otra variable física más fácil de 5 manipular . Por ejemplo en un termómetro clásico se cambia una temperatura por un desplazamiento. Teniendo definido como se va a realizar la interacción con el sensor de temperatura, se puede ilustrar cual es su aplicabilidad en la vida diaria con el fin de aterrizar mas el concepto y permitir una mejor obtención de información por parte del 4 5. Definición tomada de www.diccionarios.com Definición tomada de es.wikipedia.org/wiki/Transductor. 43.

(44) estudiante. Se debe tener en cuenta que este tipo de proceso puede aplicarse para medir cualquier variable física, razón por la cual se debe guiar al estudiante hacia el reconocimiento y aplicación del método y no a la memorización de este. Sensor de temperatura El sensor de temperatura consta de 3 patas o pines; GND, Vin y Vs (ver ilustración 2). Se debe tener en cuenta que este sensor es sensible a errores de conexión por lo que es recomendable asegurarse en cada una de las conexiones antes de energizarlo.. Ilustración 2: Diagrama de conexión de LM35. Amplificador operacional Teniendo en cuenta que es necesario montar una etapa de acondicionamiento de la señal, se recomienda utilizar un amplificador operacional multipropósito gracias a que no se requiere características especificas de rechazo de frecuencias o del modo común en el amplificador. Los diagramas de conexión para las alternativas dadas en la lista de materiales se muestran en las ilustración 3.. a). b). Ilustración 3: Diagrama de conexión a) LM324 y b) TL084. 44.

(45) Calibración del sensor Para la calibración del sensor, se necesita un dispositivo diseñado para medir temperatura (como un termómetro digital o un M ultímetro con termocupla) con el fin de verificar la veracidad de los datos obtenidos con el sensor. De esta forma se puede ver cual es el error que se está obteniendo en la medición y aplicar acciones correctivas para obtener un dato con el mínimo margen de error posible. Para mejorar el error, se recomienda mirar las especificaciones técnicas del sensor en su datasheet, con el fin de identificar cual es su variación de voltaje respecto a la temperatura. De esta forma, se puede diseñar la alternativa correspondiente para corregir la etapa de acondicionamiento del sensor para disminuir el error en la medida obtenida. Tarjeta de adquisición de datos La tarjeta de adquisición de datos está completamente controlada por el software de Labview, por tal motivo no es necesario entrar en detalles de funcionamiento por ser un proceso invisible para el usuario. Solo es necesario recurrir al bloque de entrada o salida DAQ Assistant para configurarlo con las características deseadas (ver bibliografía 7 para mas detalles de operación). Dado que el circuito va a tener una interacción con el computador a través de la tarjeta, la configuración de este tipo de conexión se puede resumir en la ilustración 4.. Ilustración 4: Diagrama general de conexión global del sistema.. 45.

(46) Para tener un mejor conocimiento de la tarjeta de adquisición de datos, a continuación se muestra la bornera instalada en los laboratorios de la Universidad de los Andes con la cual se tiene todo el cableado de las señales de la tarjeta. Caracterización dinámica del sistema Para la caracterización de la respuesta dinámica del sensor, puede hablar sobre constante de tiempo y darles la definición con el fin de brindarles un mayor número de recursos para solucionar el problema. Se espera que durante el calculo de la función de transferencia los estudiantes tengan inquietudes por falta de dominio o inseguridad en el tema, por ende, en este tipo de casos debe confrontar al estudiante para que pueda ver diferentes alternativas de solución y de esta forma escoja por su propio criterio el camino a seguir.. Trabajo a realizar en cada sesión En esta unidad, el trabajo está centrado en la caracterización y calibración del sensor de temperatura, por tal motiva, se esperaría que en la primera sesión los estudiantes logren adquirir la señal proveniente del sensor y visualizarla en la pantalla del computador. Así, en la segunda sesión cada grupo se centraría en la calibración y caracterización de la misma teniendo en cuenta los pasos realizados en la sesión anterior para optimizar su tiempo de ejecución.. Bibliografía recomendada y enlaces de interés [1]. [2]. [3]. [4]. [5]. [6]. [7]. [8].. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989. Labview User Manual. NACIONAL INSTRUMENTS. Abril de 2003. A. GAUTIER, M. DUQUE. Control de procesos continuos utilizando un sistema digital. Universidad de los Andes. Marzo de 1999.. 46.

(47) Matriz de evaluación. % Aspecto Notas de desarrollo (sobre el cuaderno). Iniciando. Insuficiente. Justo. Apropiado. Mejor. %(0-40). %(40-60). %(60-70). %(70-90). %(90-100). 50 No lleva cuaderno de diseño. Solo presenta apuntes Presenta un esquema Presenta un esquema sin sentido muy global del diseño con explicación del a realizar proceso.. Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.. 25 No mostró interés, ni resultados parcial es.. No logran implementar correctament e la práctica.. No se evidencio funcionamiento de la práctica pero cada integrante justifica de forma correct a el proceso.. Se evidencia funcionamiento de los circuitos con pequeños márgenes de error.. Se evidencio el correcto funcionamiento de la práctica, donde cada integrante justifica de forma correct a el desarrollo.. 25 No asistió a la sesión. Muestra solo resultados parcial es.. Muestran resultados pero sin análisis ni justificación. Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.. Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.. Implementación de la solución (sobre el cuaderno). Durante la práctica. Resultado. 47.

(48) UNIDAD 2: IMPLEMENTACION DE HORNO DE DOS CAMARAS. Sesión 3, 4 y 5 : Implementación y caracterización de un sistema térmico por medio de la función de transferencia. Resumen El estudiante tendrá la oportunidad de trabajar con varios elementos los cuales tendrá que organizar de acuerdo a un diseño de su autoría, para implementar un horno de dos cámaras. Éste sistema lo utilizará para caracterizarlo utilizando la función de transferencia como herramienta. Además, el estudiante capturará las señales provenientes de los sensores por medio de un sistema de adquisición de datos en Labview y las visualizará en la pantalla. Una vez visualizado los datos en el computador, utilizará la grafica para caracterizar la respuesta de ambos sensores y obtener la función de transferencia de éstos. Por ultimo para probar el trabajo realizado, el estudiante implementará en M atlab las funciones de transferencia obtenidas y simulará su comportamiento con una entrada escalón con el fin de compararla con los datos obtenidos.. Objetivos Diseñar e implementar el montaje de un horno de dos cámaras. Obtener un modelo valido del horno en forma de función de transferencia. Verificar la correcta identificación del horno por medio de simulación.. Materiales. 48.

(49) 1 Bombillo de 12V de doble filamento. 3 Vasos de icopor o plásticos de alta resistencia. 2 sensores LM 35. 1 TIP 122. 2 Disipadores de calor (uno de gran tamaño). 1 Resistencia de 10 KΩ. Fuente de voltaje. M ultímetro digital. 2 LM 324 ó TL084. Tarjeta de adquisición de datos PCI 6221. Protoboard. 2 Trimer de 10 KΩ.. Tiempo previsto Trabajo de laboratorio seis horas (tres sesiones de laboratorio). Trabajo de exploración previa estimado dos horas.. Conceptos que se trabajarán en esta sesión. Sistemas y señales. Caracterización de sistemas. Función de transferencia. Prueba y simulación de sistemas.. Guiando al alumno Se deberá hacer una breve introducción al estudiante sobre cuales son las especificaciones que debe cumplir el diseño del horno de dos cámaras. La unidad gira en torno a la implementación y caracterización de un sistema térmico utilizando elementos computacionales. Durante el desarrollo de la unidad se pretende que el estudiante manipule cada uno de los elementos que compone el sistema térmico con el fin de ilustrar cual es la función de cada elemento dentro del sistema.. Como se podría abordar el problema Para hablar de implementación y caracterización de un sistema térmico, necesariamente se necesita definir cual es el problema a resolver y que es una función de transferencia. El problema a resolver es la implementación de un sistema térmico el cual sea observable (utilizando los sensores de temperatura) para estudiar su comportamiento por medio de la visualización de la respuesta frente a una entrada escalón utilizando como herramienta de medición un computador. El siguiente paso a seguir es definir una función de transferencia.. 49.

(50) Una función de transferencia se define como un modelo matemático que describe el comportamiento de un sistema (conocer cómo va a responder) cuando a su entrada se le aplica una variable física. La función de transferencia se puede definir como 6 (F.T.)=Variabledesalida / Variabledeentrada . En nuestro caso, se trabajará con funciones de transferencia que relacionan transformadas de Laplace de las señales de salida y de entrada. Teniendo definido como se va a realizar el diseño del sistema térmico, se puede ilustrar un ejemplo de un sistema equivalente en la vida diaria y su importancia de caracterizarlo con el fin de aterrizar más el concepto de función de transferencia y permitir una mejor obtención de información por parte del estudiante. Se debe tener en cuenta que esta tipo de proceso se puede aplicar a cualquier sistema, razón por la cual se debe guiar al estudiante hacia el reconocimiento y aplicación del método y no a la memorización de éste.. Sistema térmico La construcción del sistema térmico se basa en la unión de las bocas de dos vasos separadas por una resistencia montada sobre un disipador de gran tamaño, con le fin de crear las dos cámaras del horno. Es necesario aclarar que el material utilizado en los vasos debe permitir la visualización de los elementos que se instalarán dentro de las dos cámaras, con el fin de ver el comportamiento de éstos y poder realizar un rápido diagnostico de su correcto funcionamiento dentro del sistema. Para evitar posibles problemas en el desarrollo de las unidades siguientes por problemas en el montaje del sistema, se recomienda sugerir a los estudiantes estas sugerencias: Los cables deben ser lo suficientemente largos para establecer las conexiones pertinentes (por lo menos de 30cm), manteniendo el sistema en una posición vertical. Utilizar un sistema de rápida identificación de cada uno de los cables del sistema para evitar perdidas de tiempo en la ejecución de las unidades. La barrera de separación entre las dos cámaras debe ser tal que permita el logro de temperaturas ligeramente diferentes en cada cámara en estado estable. Verificar las uniones de cada uno de los componentes para que el sistema pueda soportar los desplazamientos. La configuración del sistema térmico solicitado, debería ser similar al presentado en la ilustración 5.. 6. Definición tomada de www.wikipedia.org. 50.

(51) Ilustración 5: Conf iguración esperada del sistema. Caracterización del sistema La caracterización del sistema se elabora a partir de la obtención de datos de cada uno de los sensores de temperatura por medio de la tarjeta de adquisición de datos y Labview. De esta forma se espera que el estudiante pueda ver el cambio de temperatura que tiene el sistema y pueda interpretar cual es el resultado presente dentro de éste. Para realizar la caracterización, se recomienda utilizar la referencia [8] gracias a que se explica un método sencillo y de alta precisión para sistema con este tipo de características. Simulación del comportamiento del sistema La simulación de la función de transferencia se recomienda desarrollarla dentro de Simulink de M atlab, con el fin obtener la respuesta a una entrada escalón de la función de transferencia y poder comprobarla con la obtenida con la tarjeta de adquisición de datos en Labview. De esta forma, se puede comparar los resultados y ver si la representación del sistema tiene una buena aproximación al sistema real (horno de dos cámaras). La implementación de la simulación en M atlab seria como se muestra en la ilustración 6. 1 s+1 Step1. T ransfer Fcn. Scope. Ilustración 6: Simulación del sistema térmico en Matlab. Trabajo a realizar en cada sesión En cada una de las sesiones de laboratorio utilizadas para el desarrollo de la unidad, se espera que los estudiantes logren completar de manera individual el ciclo de aprendizaje, es decir, para la primera se espera que logren implementar en su totalidad el horno de dos. 51.

(52) cámaras y realizar algunas pruebas para verificar su funcionamiento. En la segunda sesión se espera que ellos logren obtener la función de transferencia de una de las cámaras teniendo caracterizado su comportamiento por medio de simulación. En la última sesión, los estudiantes deben obtener la función de transferencia de la cámara restante y comparar los resultados obtenidos en la sesión anterior. De esta forma, se espera que los estudiantes hagan una realimentación de su propio trabajo y encuentren cuales son los puntos a resaltar en la obtención de una función de transferencia. Usted como asistente de laboratorio, deberá supervisar el trabajo realizado con el fin de mantener a los grupos de estudiantes en el ciclo de aprendizaje.. 52.

(53) Bibliografía recomendada y enlaces de interés [1]. [2]. [3]. [4]. [5]. [6]. [7]. [8]. [9].. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989. Labview User Manual. NACIONAL INSTRUMENTS. Abril de 2003. A. GAUTIER, M. DUQUE. Control de procesos continuos utilizando un sistema digital. Universidad de los Andes. Marzo de 1999. Sedra, Adel S. Microelectronic circuits. 5ta Edición. Oxford University Press. 2004. 53.

(54) Matriz de evaluación. % Aspecto Notas de desarrollo (sobre el cuaderno). Iniciando. Insuficiente. Justo. Apropiado. Mejor. %(0-40). %(40-60). %(60-70). %(70-90). %(90-100). 50 No lleva cuaderno de diseño. Solo presenta apuntes Presenta un esquema Presenta un esquema sin sentido muy global del diseño con explicación del a realizar proceso.. Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.. 25 No mostró interés, ni resultados parcial es.. No logran implementar correctament e la unidad.. No se evidencio funcionamiento de la unidad pero cada integrante justifica de forma correct a el proceso.. Se evidencia funcionamiento de los circuitos con pequeños márgenes de error.. Se evidencio el correcto funcionamiento de la unidad, donde cada integrante justifica de forma correct a el desarrollo.. 25 No asistió a la sesión. Muestra solo resultados parcial es.. Muestran resultados pero sin análisis ni justificación. Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.. Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la unidad, con resultados satisfactorios.. Implementación de la solución (sobre el cuaderno). Durante la unidad. 54. Resultado.