UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA ÁREA DE LA ENERGIA, LAS INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS NATURALES NATURALES NO N O RENOVABLES
Ingenieria en Electromecánica Control Automático
Uso de Simulink y Arduino Arduino para un Proyecto de Control Automático Resumen
En este artículo se presenta el diseño de un equipo y un conjunto de prácticas para la asignatura de Control Automático, mediante el uso de Simu Simuli link nk y los los micr microc ocon ontr trol olad ador ores es Arduino. Se han diseñado y construido un conjunto de circuitos programables con con un micr micro o cont contro rola lado dorr Ard Ardui uino no !ega" y se ha e#aluado su rendimiento y la $acilidad del uso de Simulink con las librerías de soporte de Arduino para el uso de estudiantes de ingeniería. 1. Intr Introd odu ucció cción n
El pre presen sente doc documen umentto indica dica la implementaci%n del m%dulo diseñado e implementado para la reali&aci%n de un proyecto de control automático, mediante la implementaci%n de sistemas de control control'' uno de posic posici%n i%n y otro de temp empera eratura, ra, cont contrrola olados dos por un Arduino !ega y programable mediante so$t(are so$t(are de simulaci%n simulaci%n !A) !A)*A+. *a operaci%n de cada proceso es independiente por medio de inter interrup ruptor tores es progra programa mados dos media mediante nte matlab. Sin Sin emba embarg rgo, o, reci recien ente teme ment ntee cier cierta tass herramientas reconocidas en el ámbito acadmico, como !A)*A+ y Simulink, usadas en el diseño y simu simula laci ci%n %n de sist sistem emas as de contr control ol automático, se han #isto potenciadas por la incorp incorpora oraci ci%n %n de capaci capacidad dades es para para programar de $orma transparente las plata$ormas de desarrollo hard(are de bajo coste más popular, como son los sistemas Arduino. El aprendi&aje basado en un proyecto es un mtodo de enseñan&a que implica a los los estu estudi dian ante tess en la reso resolu luci ci%n %n de problemas de ingeniería ingeni ería reales.
-ara -ara que que sea sea e$ic e$ica& a&,, el alum alumno no debe debe identi$icar un problema de una etensi%n etensi%n adecuada y con una di$icultad su$iciente para estimular el proceso de aprendi&aje. aprendi&aje. Si además, el proyecto está apoyado apoyado con equipos equipos $ísicos, $ísicos, $rente a los modelos de simulaci%n, se reduce el trabajo a un modelo simpli$icado, a la #e& que aumenta nta su moti oti#ac #aci%n. %n. /esa$ortunadamen /esa$ortunadamente, te, muchos sistemas sistemas de desarrollo hard(are son complejos y distraen al alumno con la resoluci%n de problemas hard(are de bajo ni#el que no suel suelen en esta estarr rela relaci cion onad ados os con con el objeto de estudio. *a solu soluci ci%n %n idea ideall para para el alum alumno no es dispo disponer ner de una herra herrami mient entaa de alto alto ni#e ni#ell para para el dise diseño ño de sist sistem emas as de control control automát automático ico,, para simulac simulaci%n i%n y modelado del modelo matemático ideal. El objeti#o de este trabajo es presentar la epe eperi rien enci ciaa de la crea creaci ci%n %n de un equipo de práctica de control automático de bajo coste programable con la herramienta !A)*A+0Simulink en asignaturas de control automático. 2. Imple mpleme ment ntac ació ión n SAD
del del
sist sisteema
El proyecto se ha diseñado en base a concepto conceptoss $ísicos $ísicos $undame $undamentad ntados os con los los resp respec ecti ti#o #oss mode modelo loss de cont contro roll autom utomáático dete determ rmiinad nado con los siguientes requerimientos1 Coste reducido y de $ácil • $abricaci%n $abricaci%n mediante empleo de componentes comunes. /e un tamaño necesario • requerido. Simple y $ácil de programar. •
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2.1
Aut%n ut%nom omo o y que que perm permit itaa el empleo de sistemas inalámbricos de control Sistemas de posici%n y ence ncendi ndido de resi esiste stenci ncias mediante empleo de control 2tili&aci%n de sensores programables de mo#imiento y temperatura.
paquetes de Arduino que se encuentra :n;line en #arias #ersiones.
Diseño me mecáni ánico
El proyecto consta de dos recipientes el primero de un #olumen mucho mayor al al segund segundo o con #ol3m #ol3mene eness relat relati# i#os os de 4.4444 4.44445 5 metro metross c3bico c3bicoss y el otro otro de 4.444446 metros c3bicos y con posiciones relati#as relati# as de 74cm a 58 cm. Se pretende controlar el $lujo de agua en una electro#ál#ula que trabaja a 554 9, mediante un sensor de mo#imiento en el tanque de #olumen in$erior, transcurrido una una posi posici ci%n %n del del agua agua se cier cierra ra la ele electr ctro#ál #ál#ul #ula y se encie ciende una una resisten resistencia cia que ele#ara ele#ara la tempera temperatura tura del del agua hast hastaa una una temperat ratura ura determinada, determinada, la cual se apagara cuando el sensor de temperatura lo determine mediante la programaci%n. )ambin eiste el empleo de sensores de mo#imiento y de temperatura, como empleo de una resistencia para ele#ar la temp empera eratura del del agua agua,, respec spectti#a programaci%n y programas de simulaci%n y programaci%n matlab0Simulink. En la part partee ete eteri rior or del del proy proyec ecto to se encu encuen entr traa la part partee de elec electr tr%n %nic icaa de potencia y en la parte interior se ubican el microcontroladores y los sensores de temp temper erat atur uraa y posi posici ci%n %n.. Asimi simism smo, o, posee un segundo ni#el sobre el que se podrá colocar un ordenador portátil. *os diseño diseñoss se han han reali reali&ad &ado o medi mediant antee el so$t so$t(a (are re de dise diseño ño y sim simulac ulaci% i%n n Simulink de matlab en combinaci%n con
2.1. 2.1.1 1
ódu ódulo loss de de sen senso sore res. s.
Sensor !"#
*a se seri riee *! *!6= 6= es la pr prec ecis isi% i%n n de la temp te mper erat atur uraa de dell ci circ rcui uito to in inte tegr grad ado o Sens Se nsor ores es,, cu cuya ya te tens nsi% i%n n de sa sali lida da es linealmente proporcional al )em empera peratura tura Cel Celsius sius cen centíg tígrado rados". s". El *!6= tiene así una Sobre los sensores de tem tempera peratura tura line lineale aless cali calibrad brados os en >?e ?el# l#in in,, ya qu quee el us usua uari rio o no es está tá obligado a restar un gran Constante de su salida para obtener un con#eniente grado de escalada El *! *!6= 6= no re requ quie iere re Ca Cali libr brac aci% i%n n o recorte reco rte para prop proporci orcionar onar prec precisio isiones nes típic icaas de @ 50 50 >C A tem empe perrat atur uraa ambiente y @ 60 >C durante un tiempo completo de ;== a B 5=4 >C rango de tempera tem peratura tura.. El bajo costo se aseg asegura ura recortando y Calibraci%n a ni#el de la oblea. *a baja impedancia de salida del
*!6=,, Sa *!6= Sali lida da li line neal al y ca cali libr brac aci% i%n n inherente precisa *a interconei%n a la lectu lec tura ra o los cir circu cuit itos os de con contro troll so son n espe es peci cial alm men ente te $á $áci cile les. s. Es Eso o -ue uede de utiili&a ut &arrse con una sol olaa $ue uen nte de alimentaci%n, o con !enos los suminis sum inistros tros.. /ado que s%lo etrae 74 A de su suministro, !uy bajo de auto calentamiento, calentam iento, menos de 4,5 D C en aire estancado.. El *!6= es Clasi$icado para estancado operar sobre un rango de temperatura de ;==> a B 5=4>C, !ientras !ientras que el *!6=C está clasi$icado para un rango de ;4> a B 554>C ;54> Con mayor precisi%n". *a serie *!6= está disponible en embalaje En paquetes hermticos de transistores ):;7, ): ;7, mie mientra ntrass *!6 *!6=C, =C, *!6 *!6=CA =CA y *!6=/ *!6 =/ tam tambin bin está están n disp disponib onibles les en -aquete plástico del transistor ):;F. El *!6=/ tambin está disponible.
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/imensiones del circuito1 6 F4 58 mm )ensi%n de alimentaci%n1 = 9cc
El GC;SH4 es un sensor de distancias por ultrasonidos capa& de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de F a =4 cm. El sensor $unciona por ultrasonidos y contiene toda la electr%nica encargada de hace hacerr la medic edici% i%n. n. Su uso uso es tan tan senc senciillo como omo en#ia #iar el puls ulso de arranque y medir la anchura del pulso de retorno. /e muy pequeño tamaño, el GC;SH4 se destaca por su bajo consumo, gran precisi%n y bajo precio. Caracter$sticas%
&lec &l ectr trón ónic ica a de de pot poten enci cia a
Se ha incorporado una alimentaci%n de 5549 para el sistema de las electro ele ctro#ál# #ál#ulas ulas , la resist resistenci enciaa y =9 para el controlador Arduino !ega que proporcionan energía tanto a la parte de electr%nica de potenc nciia como al microcontrolador, que reduce la tensi%n a =9 mediante un regulador propio. 2.2.2 Arduino me'a
El Ard rdui uino no !e !ega ga es un ta tabl bler ero o de micr cro oco cont ntrrol olaado dore ress basa sado do en el A)mega5FI4 hoja de datos". )iene = pines de entrada entrad a 0 salida digitales digita les de los cual cu ales es 5 se pu pued eden en ut util ili& i&ar ar co como mo salidas -J!", 57 entradas anal%gicas, El Arduino !ega puede ser alimentado a tra#s de la conei%n 2S+ o con una $uen $u ente te de al alim imen enta taci ci%n %n e ete tern rna. a. *a
$uente de al $uente alim iment entaci aci%n %n se sel selecc eccio iona na automáticamente. El Arduino !ega es una placa microcontrolador basada en el A)mega5FI mega5FI4 4 hoja hoja de datos". datos". Cuenta Cuenta con = pines digitales de entrada 0 salida de de los los cual cuales es 5 se pued pueden en util utili& i&ar ar com como salida lidass -J!", 57 ent entradas das anal%gicas, 2AH) puertos serie de hard(are", un oscilador de cristal de 57 !G&, una conei%n 2S+, un conector de alimentaci%n, una cabecera KCS-, L un bot%n de reinicio. Contiene todo lo necesario para soportar el micr icroco ocontro ntrollador' dor' Simpl impleemente nte conctelo a un ordenador con un cable 2S+ o conctelo con un adaptador de CA a CC o batería para empe&ar.
2." So)t*are
El sop soport ortee de Ardu rduino ino en !A !A) )*A *A+ + incl in cluy uyee un unaa bi bibl blio iote teca ca de bl bloq oque uess especí$icos que se encargan de gestionar las entradas0salidas. Knternamente están programados en Simulink y hacen la $unci $un ci%n %n de los sen sensor sores es del har hard(a d(are re eterno se acti#en con paso de la señal. El resto de las $unciones se impl im plem emen enta tan n me medi dian ante te lo loss bl bloq oque uess estándar está ndar de Sim Simulin ulink. k. El conj conjunto unto de bloques proporciona acceso a1 entr en trad adas as0s 0sal alid idas as digi di gita tale les, s, entr en trad adas as anal%gicas, salidas -J!, comunicaciones serie y entradas0salidas de pulsos para ser#os HC. ". Practica
En la re reali ali&ac &aci% i%n n del proyect proyecto o se han diseñado una serie de bloques que #an desde el control de posici%n a al control de ence encend ndid ido o de la resi resist sten enci ciaa para para obte obtene nerr una una tem tempera peratu tura ra opti optima ma del del agua gua en el sist sistem emaa de cont ontrol rol del del proyecto. Esta práctica se ha planteado como las di#ersas etapas del desarrollo de un 3nico 3nico proy proyect ecto o que pret pretend endee obte btener ner un mode odelo %ptim ptimo o entr ntre posici%n y encendido. encendid o.
2.2." Comunicaciones inalám(ricas
El microcontrolador cuenta con cuatro puertos serie, de los cuales uno es utili&ado por Simulink para la carga de programas y la ejecuci%n en modo eterno. *a ejecuci%n en modo eterno permite ejecutar el modelo de sim simulac ulaci% i%n n simu simult ltán ánea eam mente ente en el hard(are eterno y en el computador para hacer la simulaci%n ejecuci%n" inte nteract acti#a, #a, mostra stran ndo #alore ores y gra$icas de e#oluci%n de las #ariables, y tam tambin bin para para modi$ odi$ic icar ar #alo #alore ress de parámetros del modelo, lo que permite depura depuraci% ci%n n y ajust ajustee de contr controla olador dores es durante el $uncionamiento del sistema.
9amos mos a crea crearr simp simple less arch archi# i#os os de !A)*A+ para hablar con nuestra placa Ardui rduino no.. *os *os paqu paquet etes es de sopo soport rtee
!A) !A)*A+ *A+ para para hard( hard(are are Arduin rduino o le permiten usar !A)*A+ !A)*A+ para comunicarse con su placa a tra#s del cable 2S+.
-ara nuestra señal de entrada hemos elegido como como #ari #ariab able le la temp temper erat atur uraa que que está está representada por medio de un sensor *! 6= senso sensorr de temper temperatu atura" ra" y la salida salida es la respuesta del mismo en mili #oltios.
Se busca in$ormaci%n sobre los aspectos relacionados con el uso y la con$ con$ig igur urac aci% i%n n de la herr herram amie ient ntaa de desarrollo. Se implementa una estrategia básica de control proporcional y se ejecutan en modo remoto y eterno para obser#ar los #alores de las #aria #ariable bless del del siste sistema ma y modi$ modi$ic icar ar los parámetros del controlador. contro lador.
#.1. -unción -unción de trans)ere trans)erencia ncia en (ase a los datos etra$dos del proyecto. 2sando 2sando un modelo modelo básico de $unci% $unci%n n de trans$erencia que nos o$rece el programa de simulaci%n de !atlab, procedemos a etraer los los dato datoss por por medi medio o del del Jork spac spacee y creamos los respecti#os #ectores que en si serán nuestras #ariables tanto de entradas como de salida.
,. Cont Contro roll de temp temper eratu atura ra..
El trata tratami mient ento o trm trmico ico compr comprend endee el calentamiento del metal de la resistencia hasta la temperatura elegida, el mant manten enim imie ient nto o de esta esta temp temper erat atur uraa dura durant ntee un dete determ rmin inad ado o tiem tiempo po y el en$r en$ria iami mien ento to sigu siguie iend ndo o el rgi rgim men determ determina inado, do, el n3mero n3mero de #arian #ariante tess posibles pude ser construido por el rgimen de ciclos y de la misma manera para la repentina inter$a& de en$riamiento.
!ode odelo del proyecto
Ensam sambla blaje
de
#. Introducción a la implementación de la )unción de trans)erencia. *a $unci%n de trans$erencia no es más que un modelo matemático que a tra#s de un coci cocien ente te rela relaci cion onaa la resp respue uest staa de un sist sistem emaa mod model elad adaa" con con una una señal señal de de entrada o ecitaci%n tambin modelada".
ante situaciones di$íciles de obser#ar en la realidad. El tipo de modelo que hemos usado en este proyecto es el de simulaci%n o descripti#o, de situaciones medibles de manera precisa o alea al eator toria ia,, po porr ej ejem empl plo o co con n asp aspec ecto toss de programaci%n lineal cuando es de manera precisa, y probabilística o heurística cuando es aleatorio. Este tipo de modelos pretende predecir qu sucede en una situaci%n concreta dada. Recomendaciones
-ara este tipo de proyecto lo que recom omeendam amo os es re#isa sarr la con$iguraci%n del arduino que sea compatible con el programa a usar en este caso !atlab Se recomienda pre$eriblemente usar arduino mega !anipu ipular lar con mu mucho cho cui cuidad dado o el !an sensor sen sor de tem temper peratu atura ra *! 6= ya que es muy sensible Conclusiones
-ara que la $unci%n de trans$erencia sea sea acep acepta tabl blee debe debe pasa pasarr de un #alor de I4M
-ara -ara que que un proc proceso eso sea lo más más cerc cercan ano o al mode modelo lo real real se debe debe saca sacarr el mayor mayor n3me n3mero ro de dato datoss reales y 3tiles posibles.
0. ra) ra)ic icas as de dato datoss o(te o(teni nido doss con con atla(. A continuaci%n de detallas cada una de las grá$ grá$ic icas as que que se han han obten obtenido ido seg3n seg3n los los datos de estimaci%n y datos de #alidaci%n dent dentro ro de nues nuestr tro o proy royecto ecto,, seg3 seg3n n la $unc $unci% i%n n de tran trans$ s$er eren enci ciaa y tomand tomando o los los mejore mejoress picos picos depend dependien iendo do de los datos datos obtenidos de ah obtenido los datos y cada una de las respecti#as grá$icas.
El algoritmo del del cont contro roll -K/ -K/ cons consis iste te de tres parámetros distintos1 el proporcional, el integral, y el deri#ati#o. El #alor -roporciona -roporcionall depende depende del error error actual. actual. El Kntegral depende de los errores pasados y el /eri#ati#o /eri#ati#o es una predicci%n predicci%n de los errores $uturos. *a suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso por medio de un elemento de control como la posici%n de una una #ál# #ál#u ula de con contro trol o la pote poten ncia cia suministrada a un calentador.
