Diseño de un módulo regulador automático de voltaje para la enseñanza de ajuste de controladores PID en los estudiantes de la EPIE-UNPRG

Abstract

La presente investigación abordó el problema de la limitada destreza de los estudiantes de la Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica EPIE-UNPRG en el ajuste de controladores PID, debido a la carencia de equipos de laboratorio específicos. El objetivo general fue diseñar e implementar un módulo didáctico regulador automático de voltaje para mejorar esta habilidad en los estudiantes. La metodología empleada fue de tipo experimental, trabajando con una muestra no probabilística de 20 estudiantes. La investigación se desarrolló en tres fases: una evaluación inicial (pretest), el diseño e implementación del módulo AVR utilizando Arduino Uno y sintonización Ziegler-Nichols en lazo cerrado, y una evaluación final tras la aplicación de la guía de prácticas. El diseño del controlador, específicamente la versión Proporcional logró una estabilización del voltaje en 672 ms con un error del 1% del voltaje deseado, asimismo el Proporcional Integral (PI), mostró un excelente desempeño al lograr la estabilización del voltaje en 504 ms con un error del 1% del voltaje deseado, eliminando el error permanente. Los resultados demostraron la efectividad del módulo didáctico: el nivel de conocimiento inicial de los estudiantes era regular (promedio 10.8), pero tras la aplicación práctica con el módulo, el promedio de notas en el post-test se elevó significativamente a 18.1, con el 100% de la muestra aprobando la evaluación. Se concluye que el diseño e implementación del módulo AVR constituye una herramienta didáctica efectiva que mejora sustancialmente la destreza y el nivel de comprensión de los estudiantes en el ajuste práctico de los controladores PID.

The present research addressed the problem of limited skills among students of the Professional School of Electronic Engineering (EPIE-UNPRG) in tuning PID controllers, due to the lack of specific laboratory equipment. The general objective was to design and implement an automatic voltage regulator (AVR) didactic module to enhance this skill in students. The methodology used was experimental, working with a non-probabilistic sample of 20 students. The investigation was developed in three phases: an initial evaluation (pre-test), the design and implementation of the AVR module using Arduino Uno and Ziegler-Nichols closed-loop tuning, and a final evaluation (post-test) after applying the practical guide. The controller design, specifically the Proportional version, achieved voltage stabilization in 672 ms with a 1% error of the desired voltage. Similarly, the Proportional Integral (PI) version showed excellent performance, achieving voltage stabilization in 504 ms with a 1% error of the desired voltage, thus eliminating the steady-state error. The results demonstrated the effectiveness of the didactic module: the students' initial knowledge level was average (mean 10.8), but following the practical application with the module, the mean post-test score significantly increased to 18.1, with 100% of the sample passing the evaluation. It is concluded that the design and implementation of the AVR module constitutes an effective didactic tool that substantially improves the students' skills and level of comprehension in the practical tuning of PID controllers.