1 III. INTRODUCCIÓN 3.1 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DEL

JACOB ASTOCONDOR VILLAR
III. INTRODUCCIÓN
3.1 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DEL PRESENTE TRABAJO DE
INVESTIGACIÓN
Los sistemas de levitación magnética han sido objeto de estudios en las ´ultimas
décadas por lo importante que resultan ser en la disminución de la fricción de Coulomb
debido al contacto mecánico. Dichos sistemas se han vuelto populares en sistemas de
transportación terrestre de alta velocidad, rodamientos magnéticos y sistemas de
aislamiento de vibraciones. De manera particular, los rodamientos magnéticos han
tenido gran demanda en la industria de ingeniería de precisión, donde se necesita
alcanzar un posicionamiento con tolerancias de error en el orden de nanómetros, ancho
de banda y rigidez. Además hay una diversidad de aplicaciones como actuadores libres
de contacto, en la industria médica y sin olvidar los populares trenes de levitación
magnética cuyo interés es reducir los costos por mantenimiento constante de partes por
causas de desgaste y la necesidad de un cambio continuo de lubricantes empleados para
disminuir efectos de fricción.
Los sistemas de levitación magnética han sido objeto de estudios en las ´ultimas
décadas por lo importante que resultan ser en la disminución de la fricción de Coulomb
debido al contacto mecánico (cf. [9]). Dichos sistemas se han vuelto populares en
sistemas de transportación terrestre de alta velocidad, rodamientos magnéticos y
sistemas de aislamiento de vibraciones [10]. De manera particular, los rodamientos
magnéticos han tenido gran demanda en la industria de ingeniería de precisión [6],
donde se necesita alcanzar un posicionamiento con tolerancias de error en el orden de
nanómetros, ancho de banda y rigidez. Además hay una diversidad de aplicaciones
como actuadores libres de contacto [11; 12; 13; 10], en la industria médica [14] y sin
olvidar los populares trenes de levitación magnética [15; 16] cuyo interés es reducir los
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costos por mantenimiento constante de partes por causas de desgaste y la necesidad de
un cambio continuo de lubricantes empleados para disminuir efectos de fricción.
El presente trabajo de tesis hace referencia a una plataforma de levitación magnética
El presente trabajo de tesis hace referencia a una plataforma de levitación magnética
desde su concepción, diseño de cada una de sus partes y el control de la misma, como
pruebas de funcionalidad del prototipo experimental. Además, este trabajo describe
cada una de las etapas realizadas para el desarrollo del sistema levitación magnética
física, tomando en cuenta el diseño de una estructura robusta que sea capaz de dar
soporte a cada una de las partes necesarias para lograr la levitación de una esfera de
hierro, como lo son: una bobina (actuador), sensores y dispositivos electrónicos, así
como las diferentes estrategias de control utilizadas para lograr la suspensión de esferas
de hierro de diferentes masas, utilizadas para comprobar la robustez del controlador
implementado.
Dentro de la motivación al trabajo de tesis es que hasta la fecha el levitador magnético
se ha usado como plataforma de validación de controladores lineales y no lineales [17].
Las primeras alternativas que se ofrecieron para resolver el problema de regulación
son: el diseño de controladores lineales, donde el sistema de levitación magnética, que
es un sistema no lineal e inestable, se linealizaba alrededor de un punto de operación a
través de la expansión por series de Taylor.
El desarrollo de teoría de sistemas no lineales ha abierto la puerta a nuevas alternativas
para el diseño de controladores. no lineal por retroalimentación de salida, donde se
hace ´énfasis a la implementación de dichos controladores en procesadores digital de
señales.
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Importancia
Actualmente contamos con muchos artículos y bibliografías que hacen referencia a este
tipo de plataformas. Cabe destacar que cada una de estas referencias consultadas carecen
de detalles técnicos suficientes para poder realizar una reproducción de estas plataformas.
El presente trabajo de investigación presenta a detalle cada una de las etapas construcción
y materiales utilizados para su elaboración, siendo todos estos de fácil adquisición
También se presentan cada uno de los diagramas electrónicos utilizados, siendo descrito a
detalle su funcionamientoHay
compañías que se dedican a la fabricación y comercialización de este tipo de
sistemas, las cuales presentan un costo elevado de adquisición; hay que enfatizar que cada
uno de los diseños implementados cuenta con originalidad, y además con componentes
electrónicos de costo accesible y vigentes en el mercado, por lo que el costo de
construcción se reduce en gran medida; siendo factible también para aplicaciones con fines
didácticos.
3.2
OBJETIVOS
El presente trabajo de investigación tiene los siguientes objetivos:
3.2.1 OBJETIVO GENERAL
El objetivo de este proyecto es desarrollar una metodología para el control de un
sistema de levitación magnética, mediante ubicación de polos de estado discreto
Para el desarrollo de esta metodología se utilizarán conceptos teóricos del control
por realimentación de estados, y para el desarrollo de la parte práctica se utiliza una
plataforma de control de levitación magnética con microcontrolador.
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3.2.2 Objetivos Específicos
El objetivo general de este trabajo se estructura a través de los siguientes objetivos
específicos:

Es diseñar y Tener un dispositivo tangible para probar algoritmos de control
en sistemas magnéticos

La realización e implementación del
algoritmo de control
por
realimentación de estados


Mostrar la estabilidad del modelo y su resistencia a perturbaciones..
Describir y justificar los elementos que forman la plataforma
con
microcontrolador utilizada para la aplicación del control por realimentación
de estados discretos del sistema levitación magnética.

Descripción del entorno de programación del microcontrolador PIC18F4550
y de conceptos teóricos previos.

Medida de la posición x

Presentar un equipo destinado al aprendizaje del control digital aplicada al
control de levitación magnética, evitando los riesgos de un equipo industrial.
3.3
HIPOTESIS O PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN
El levitador magnético presenta un desafío desde el punto de vista del control, pues
es un sistema no lineal inestable en lazo abierto, ya que los polos de la función de
transferencia del mismo se encuentran en el semiplano derecho. Una forma de
estabilizarlo es utilizando un controlador que permita ubicar los polos de la función
de transferencia, en lazo cerrado, en el semiplano izquierdo.
En este trabajo de investigación se seleccionará como una de las estrategia de
control, la ley de control por realimentación de estado discreto (localización de
polos en tiempo discreto) ´
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Manipulando la magnitud de la corriente y los tiempos de activación y
desactivación de la bobina que forman parte de sistema de levitación magnética se
puede controlar la posición de la esfera
Se planteo las siguientes hipótesis:
 ¿ El control por realimentación de estados discretos podría causar inestabilidades
en el sistema de levitación magnética?
 ¿De qué manera se puede desarrollar una plataforma o sistema de control para
validar los diferentes algoritmos de control o leyes de control
en el sistema
levitación magnética?
 ¿El control por realimentación de estados implementado en los microcontrolador
18F4550 , es el mejor para controlar el sistema de levitación magnética
En tal sentido las variables se han considerado:
VARIABLE INDEPENDIENTE:
La variable independiente se fija o se elige considerando los valores de referencia o
set point, son valores prefijados Tales como posición de la esfera deseada Xd ,
VARIABLE DEPENDIENTE:
La variables dependientes son controladas por el sistema de control tales como

Corriente “ i” en la bobina

Velocidad ”vel”

Campo magnético “ ”
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3.4.
DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
El trabajo utiliza
un sistema de control como es
un sistema de levitación
magnética, circuitos de interface, las herramientas de MATLAB, y el modulo
basado en el PIC18F4550, para realizar las pruebas, esto considerando que la
UNAC-FIEE no dispone.
Las limitaciones de esta investigación están enmarcadas dentro de los aspectos
técnicos ya que en el proyecto que le ha sido aprobado, cuenta con el software y el
hardware apropiado para el desarrollo de este trabajo de investigación
Es bueno aclarar que en lo teórico se aplicaran métodos y tecnologías conocidas a
un problema que es el control de un sistema de levitación magnetica.
En cuanto a la delimitación espacial el proyecto se realizara al interior de la
Universidad
Nacional del Callao
en la Facultad de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica
3.5
ORGANIZACIÓN DEL PRESENTE INFORME FINAL
Luego de los aspectos prefaciales, en la introducción se definen objetivos, la
justificación e importancia así como delimitar el campo que abarca el trabajo;
donde el MARCO TEÓRICO nos proporciona una visión panorámica del proceso,
El presente trabajo de investigación esta organizado de la manera que se expone a
continuación.
En esta seccion1 (introducción) se exponen los objetivos finalmente alcanzados en
este trabajo de investigación y las actividades que se desarrollaron para lograrlo.
En la
seccion2 (fundamentos teóricos) Se dan algunos conceptos básicos y
métodos básicos utilizados en presente trabajo y las respectivas fuentes para una
profundización en el tema
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En la sección 3 (Modelación, simulación y control de un sistema de levitación
magnética) Se presenta un panorama del problema de modelado y control del
sistema levitación magnetica
con ejemplos simulados y fuentes de información
con lo cual se logra abarcar y explicar los principales problemas y soluciones
relacionados con el control del sistema.
En la sección 4 (control con PIC16F4550) se ilustra la aplicación del PIC18F4550
e para el controlar del sistema levitación magnética en tiempo real .y simulación
con Matlab y Simulink.
En la sección 5 se realiza un resumen de los materiales y métodos utilizados en el
presente trabajo
En la sección 6 se dan las conclusiones del trabajo y recomendaciones para trabajo
futuro.
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