Junio de 2014. Universidad de Caldas de Manizales
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Control de posición de un balancín con motor y hélice Position control of a rocker with engine and propeller. Alejandro Gil Restrepo. Daniel Mauricio Santa Castaño. Andrés Leonardo Restrepo García. Alejandro Betancur Barrientos Ingeniería mecatrónica, mecatrónica, universidad universidad de caldas, Manizales, Manizales, Colombia Colombia
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Resumen — — en el presente artículo se pretende esbozar la
implementación de un control de posición en una barra que presenta un grado de libertad, libertad, el cual consiste en el giro respecto a un eje, el movimiento de giro será provocado por por una fuerza de empuje producida por una hélice y un motor brushless de corriente directa, de manera que controlando la velocidad de giro del motor se podrá regular la fuerza de empuje que actúa sobre la barra y con ello la posición, todo esto se logrará por medio del arduino y el controlador PID, el cual es muy eficaz para sistemas que deben actuar muy rápido, debido a que la salida está en continuo cambio y tiende a estar muy inestable.
Palabr as clave — control PID, balancín, hélice, arduino. Abstract —
in this article is intended to outline the implementation of a control position in a bar that has a degree of freedom, which consist of the rotation about an axis, the rotational movement is caused by a thrust force produced by a propeller and a brushless motor in DC, so controlling the speed of rotation of the motor can be regulated the thrust force acting on the bar and thereby the position, all this will be achieved by means of the arduino and PID controller which is very effective for systems that must act very quickly, because the output is in constant change and tends to be very unstable.
Key Word — PID PID control, rocker, propeller, arduino.
I. INTRODUCCIÓN El control de posición de un balancín con una hélice y motor se ha vuelto muy popular en el campo de la mecatrónica. La idea de un balancín móvil controlado ha surgido en años recientes y ha atraído la atención de los investigadores de sistemas de control alrededor del mundo, éste se podría asemejar a un helicóptero en el cual el motor o la hélice son mecánicamente mecánicamente inestables, por lo que es necesario explorar las diversas posibilidades de implementación de sistemas de control para mantener el equilibrio.
El control de posición de un balancín con una hélice y motor consigue su sustentación gracias al giro de su rotor principal, impulsando el aire desde la parte superior a la inferior de su rotor, y generando un potente chorro de aire debido al ‘principio o teorema de Bernoulli’. [1] El perfil de las palas está diseñado de tal forma que el aire circula a mayor velocidad por su parte superior que por la inferior, a mayor velocidad hay menor presión y a menor velocidad habrá mayor presión, es una aplicación sumamente interesante y con un amplio campo de desarrollo a futuro. Para tener un buen control de posición del balancín hay que tener la planta donde se va a trabajar y de allí sacar los datos necesarios para su respectiva programación por medio del arduino, su construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil en la industria común y de fácil mantenimiento. II. CONTENIDO Para este sistema tenemos que tener muy claro el funcionamiento del motor brushless y su variador de velocidad (ESC) ya que es fundamental para el armado del motor y poder variar su velocidad. Motor brushless (sin escobilla): La característica principal de los motores DC sin escobillas es que realizan la misma función de un motor DC normal pero remplazando el conmutador y las escobillas por switches de estado sólido que funcionan con una lógica para la conmutación de los embobinados. Para controlar un motor de este tipo hay que mandar al ESC señales como si quisiéramos controlar un servo normal. Estas señales son cuadradas con un tiempo en alto que varía entre 1 y 2 milisegundos, que correspondería a un ángulo á ngulo de entre 0 y 180 grados, para la conexión con el micro controlador usaremos un pin de Salida, en nuestro caso usamos el pin 9 que es un PWM del arduino. [2]
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Para conectar el ESC, se conectan los cables de alimentación Estos datos fueron tomados desde el sistema en lazo abierto a una fuente de computador de 40A ya que este motor para registrarlos en Excel y de allí mandarlos al Ident y sacar consume mucha corriente, una vez alimentado el ESC y al la mejor función de transferencia posible escuchar el sonido de confirmación, es decir, el armado, se procede a programar desde el software del arduino. En la figura 2 se puede observar la estimación del Ident dando Control PID (Proporcional integral derivativo): una buena respuesta ante el problema. Es un sistema de control que, mediante un elemento final de control (actuador), es capaz de mantener una variable o proceso en un punto deseado dentro del rango de medición del sensor que la mide en este caso un potenciómetro lineal. Es uno de los métodos de control más frecuentes y precisos dentro de la regulación. [3] Las tres componentes de un controlador PID son: la acción proporcional, acción integral y acción derivativa. En general, si se tiene un sistema de primer orden, se suele utilizar control PI (ya que la acción derivativa no tiene mayor efecto) y si el sistema es de segundo orden, se suele utilizar control PID el cual es el utilizado en este caso.
Figura 2. Aproximación del Ident de un sistema de control de posición del balancín.
Se tomaron distintas mediciones y los controles pertinentes para las cuales se podría saber cómo respondería el sistema en primer orden y segundo orden.
La función de transferencia para un sistema de primer orden según el Ident es:
Para una buena función de transferencia se utilizó la herramienta de Matlab llamada Ident, a partir de la entrada mandada por el arduino y la salida del sistema, trata de estimar un correcto funcionamiento, entregando un porcentaje final de 89% de acierto y de allí la respectiva función de transferencia y sus constantes kp, kd y ki. En la figura 1. Se pueden observar los datos tomados desde el arduino en tiempo real.
()=
1.023 ----------5.485 s + 1
Y la función de transferencia para un sistema de segundo orden es: 1.05 ()= -----------------------0.1958 s^2 + 6.418 s + 1 Recordemos que un sistema de segundo orden es más estable que uno de primero ya que la acción derivativa (kd) tiene mayor efecto ante el sistema utilizado. Con la ayuda de este software y al ver todas las respuesta del sistema ante estas estimaciones, se utilizó la mejor dando un buen control del balancín y un tiempo de estabilización de 12 segundos.
Figura 1.
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3 funciones que permiten solucionar de manera óptima este tipo de problemas. RECOMENDACIONES El motor brushlees utilizado puede llegar a demandar hasta 8A por lo que se puede optimizar más con otro motor. Es importante tener en cuenta el funcionamiento del speed control (ESC) con el que estamos manejando el motor pues este requiere de un pulso para armarse y de esto depende el adecuado rendimiento del motor.
Figura 3. Vemos la respuesta a la entrada escalón a la función de transferencia y se muestra una estimación del 89% con una estabilización de 12 segundos Algoritmo final PID:
Para el correcto funcionamiento del sistema los valores finales de Kp, Ki, Kd son: Kp = 1.0 Ki = 5.0 Kd = 0.01
Al momento de determinar experimentalmente las constantes ki, kd y kp. Es recomendable empezar por la constante derivativa kd en 0. Una vez se encuentre las constantes ki y kp se debe proceder a variar el valor de kd muy lentamente hasta encontrar la velocidad adecuada sin que se perturbe mucho el sistema. AGRADECIMIENTOS A la facultad de ciencias exactas y naturales de la universidad de caldas, y en primicia al programa ingeniera mecatrónica perteneciente dicha facultad, por facilitar sus instalaciones, laboratorios y equipos para la correcta ejecución del proyecto. Queremos expresar nuestros más sinceros agradecimientos a Leonardo Sarrázola, profesor de Instrumentación y Control, por todo su acompañamiento, su ayuda para el correcto encause del trabajo, sus observaciones y conocimiento, a Jhon Jairo plata y Víctor Jaramillo por sus aportes en materiales y conocimiento, todos profesores de la Universidad de Caldas.
III. CONCLUSIONES El diseño de la planta para el control de posición del balancín y las pruebas de control realizadas durante este proyecto aumentó el nivel de conocimiento ya adquirido a lo largo de la formación como ingenieros Mecatrónicos. Los criterios y cálculos al momento de seleccionar accesorios y equipos para este proyecto, son los que nos da como resultado un buen funcionamiento de control de posición del balancín independientemente de las perturbaciones que se le generen.
REFERENCIAS [1] V. Viltres de la rosa (junio 2012). Control de posición de un balancín con motor y hélice. Universidad de Valladolid On line: https://uvadoc.uva.es/bitstream/10324/1895/1/PFCP%2026.pdf [2] Albertolg (28 de diciembre 2011). Como controlar un motor brushlees con arduino Tutorial. foro On line: http://diebotreise.blogspot.com/2011/12/comocontrolar-un-motor-brushless-con.html
El análisis del sistema en lazo abierto y en lazo cerrado nos lleva a una adecuada elección del tipo de controlador, en este caso el controlador PID.
[3]A.Creus (2011). Instrumentación industrial 8 edición alfaomega Grupo Editor Mexico. ISBN: 978-84-267-1668-2 pp. 518-521
Este proyecto propuso y validó un sistema de lazo cerrado dando buenos resultados.
[4]k.ogata (1998). Ingeniería de control moderna 3 edición. ISBN: 970-17-0048-1
El uso de la herramienta de Matlab es fundamental para la implementación de los modelos matemáticos y las estrategias de control. Esta herramienta ofrece una gran variedad de
[5]B. kuo (1996). Sistemas de control automatico 7 edición ISBN 9688807230
____________________________ 1. Las notas de pie de página deberán estar en la página donde se citan. Letra Times New Roman de 8 puntos
