1
Marzo de 2015. Ingeniería Mecatrónica, Universidad De Caldas
Control PID Nivel de agua usando a!"ie# $ %rduino Control de &rocesos asistidos &or PC. 'ulian Mauricio %gudelo %rdila, %rdila, Mauricio (ern)ndez %rias Ingeniería Mecatrónica, Mecatrónica, Facultad Facultad de ciencias exactas exactas y Naturales Naturales Universidad de Caldas, Manizales, Colombia Correo-e:
[email protected]
2*.0+.2015
[email protected]
1
Marzo de 2015. Ingeniería Mecatrónica, Universidad De Caldas
Resumen —En
este proyecto desarrollamos habilidades en el manejo del programa LabView con la implementación del control de nivel a través de la programación de un controlador PID y PID Diuso! se abricó una ma"ueta para reali#ar las pruebas de uncionamiento y validar los VI! arrojando los resultados esperados$ clave— %rduino! &ontrolador PID! 'unción de (embres)a! Intera# *r+ica de ,suario -*,I.! LabView! Lógica Diusa! (%/L%0! (edición por ,ltrasonido! (odulación P1(! (onitori#ación en /iempo 2eal! 2eglas Diusas! /arjeta de %d"uisición de Datos! VI -Virtual Instrument.
Palabras
esta!lecer ciertos criterios $ noras de -uncionaiento ue sirven de guía &ara la a&licación de la isa. Objetivos — /sta!lecer los conce&tos !)sicos de coo e-ectuar los &asos de una -ora correcta, en el diseo ensa!le $ &rograación de un control de &roceso atreves de las erraientas o-i)ticas.
I$
I3/2 4D,& &I53
Justificación — Para realizar el &ro$ecto de control de nivel es necesario realizar un estudio de la &arte electrónica ec)nica $ so-t#are &ara realizar una serie de &asos &ara garantizar un ó&tio desarrollo de este $ así &oder llegar a un -uncionaiento del sistea, se de!e conocer el aneo de %rduino, a!"ie# el -uncionaiento lógico de un sistea de este ti&o, ade)s se de!e a ver aneado Matla! &ara conocer la -unción de trans-erencia $ otros teas a -ines.
/ste &ro$ecto est) relacionado con su utilidad en los &rocesos industriales ade)s de
2*.0+.2015
De-inir el ti&o de &ro$ecto a realizar seg3n los estudios $ e4&eriencias ue teneos en la vida cotidiana. Conocer las erraientas a utilizar tanto &ara el diseo coo &ara la &rograación $ &uesta a &unto del &ro$ecto. (acer los an)lisis co&arativos entre los di-erentes controladores $ esta!lecer la esta!ilidad del &roceso Conocer cóo llevar un &ro$ecto a ca!o desde su diseo e i&leentación así se de la!oratorio, de esta isa anera llevarlo a la realidad. /&ezar a conocer los diversas erraientas su &oder, eui&os auinas todo este undo ue a!arca la ecatrónica.
II$
6. 8. 9. :. ;.
1.
&43/ E3ID 4
Dise7o del proyecto Elaboración de la ma"ueta o prototipo Desarrollo del programa en LabView Pruebas y puesta a punto 2ese7as bibliogr+icas
Dise7o proyecto<
del
Una vez analizadas las &ro&uestas e4&uestas en clase decidios darle -ora al &ro$ecto Control de Nivel, teniendo en cuenta la co&leidad de cada &rograa en a!"ie#. /l diseo, los ateriales $ sus co&leentos -ueron estudiados uno a uno &ara llegar a lo ue teneos o$ en este &ro$ecto gracias a la e4&eriencia aduirida a nivel la!oral.
ig. 1 Esquemtico del dise!o mecnico "ara la maqueta#
8$ Elaboración de la ma"ueta o prototipo< uego de tener la idea &rocedios a la consecución de los ateriales $ construcción de la aueta la cual llevo oras de tra!ao en el diseo de la &arte ec)nica &ara ue uedara una aueta oog6nea $ los )s i&ortante ue -uera -uncional7 tuvios en cuenta todos los detalles ec)nicos coo es el -luido del líuido el ontae de la
Marzo de 2015. Ingeniería Mecatrónica, Universidad De Caldas
2 v)lvula, la instalación del sensor, algo ue nos &reocu&a!a ue el sistea uedara u$ er6tico $ ue no uedaran -ugas, luego la &arte el6ctrica $ de control, !ueno la aueta tuvo toda una ingeniería de detalle.
ig. 2 $bservamos la "lanta que vamos a controlar %tanques, servo& vlvula, bomba sumergible, sensor ultrasónico'
3.
Elaboración del programa< Procedios a instalar los 8ool!o4 necesarios &ara la counicación del %rduino con a!"ie# coo lo son el 9I% a!"ie# Inter-ace or %rduino:, Control Design ; siulation $ la li!rería &ara controlar el sensor ultrasónico (C< =>0* desde I%
ig. + Esquemtico librería en (ab)ie* %(IF+' "ara controlar el sensor ultrasónico C& -./0
ig. * El )I "ara el servo motor M1223el cual esta como e4em"lo en la librería %(IF+' de (ab)ie*# uego &rocedios a realizar las &rue!as de cada uno de los co&onentes electrónicos del sistea 9sensor ultrasónico, servo< otor $ rel6 &ara la !o!a: &or se&arado &ara co&ro!ar su correcta o&eración $ cali!ración &or edio de la li!rería I% de a!"ie#. uego des&u6s de co&ro!ar el correcto -uncionaiento de cada uno de los eleentos del sistea &rocedios a integrar todos los códigos en un solo "I, nuevaente &ro!aos la cone4ión del sistea $ realizaos un control anual de la v)lvula.
ig. 5 Inter5az 1r5ica "ara el control Manual de la vlvula %"ara indicarle la "osición del servo de escribe el valor en grados %2/6 abierta y 78/6 cerrada''#
DE=%224LL4 DEL &43/24L%D42 PID &43VE3&I43%L < Des&u6s de ue -ue &osi!le controlar anualente &rocedios a &rograar un "I ue nos &eritiera registrar $ alacenar el co&ortaiento natural de este ti&o de sistea, &ara ello i&leentaos el siguiente código &ara e4&ortar los datos ue nos da el sensor ultrasónico $ el valor de la v)lvula 9en &orcentae: a un arcivo de /4cel.
Marzo de 2015. Ingeniería Mecatrónica, Universidad De Caldas
ig. 9iagrama de estimación de la exactitud del sistema en el I9EN: de M+:(+;
ig. ? esquemtico del "rograma "ara obtener los datos de la "lanta en un documento de Excel#
uego des&u6s de o!tener los datos ediante /4cel, e4&ortaos dicos datos del escalón $ el nivel a M%8%@ &ara desarrollar un controlador PID con las erraientas ue este so-t#are nos o-rece. /n el desarrollo del controlador M%8%@ nos da una estiación del AA,??B de e4actitud con res&ecto a los datos ue toaos del nivel del sistea.
deuestra ue tiene un so!re &ico 9oversoot: del 1.2?B
a con los valores o!tenidos de la estiación de una -unción de trans-erencia ue re&resenta la res&uesta del sistea en el tie&o, realizaos un c)lculo &ara deterinar las varia!les &ara nuestro controlador PID
De acuerdo al c)lculo anterior o!tuvios las siguientes constantes &ara el controlador PIDE F&G11+.H51, FiG1.+?+1, FdG +H*.1+1, estos valores los ree&lazaos en el &rograa ue realizaos en a!"ie# &ara el controlador PID. /ste ta!i6n
sistea nos
ig. 10 Inter5az 1r5ica de Usuario Modo es"era %$FF'
ig. 11 Inter5az 1r5ica de Usuario Modo Encendido %$N' ig. H 9iagrama de bloques del sistema de control de nivel con un controlador
ig. A )ista controlador desarrollado con la ayuda de M+:(+; %
+
% continuación &roseguios con la o&tiización de la Inter-az r)-ica de Usuario 9UI: &ara ue sea )s sencilla $ &r)ctica de anear, ade)s de ue nos uestre de anera did)ctica coo se va co&ortando el sistea durante su eecución.
DE=%224LL4 DEL &43/24L%D42 PID DI',=4< Control PID Di-uso, lo realizaos ediante una erraienta ue nos o-rece el tool!o4 Control design ; siulation de a!"ie# en el cual ingresaos los valores de las -unciones de e!resía &ara el sistea ue o&eraría con lógica di-usa.
Marzo de 2015. Ingeniería Mecatrónica, Universidad De Caldas
* ig. 12 Funciones de membresía "ara el error
ig. 1+ Funciones de membresía "ara la integral del error
uego de deterinar las -unciones de e!resía &ara el sistea &roseguios a realizar las reglas di-usas ue ser)n las ue nos deterinen ue -unción realizara el controlador cuando est6 en -uncionaiento. Por cada entrada del sistea realizaos + -unciones de e!resía &or lo consiguiente o!tendríaos H reglas di-usas $a ue cada entrada del sistea 9error, derivada error o integral error: se asocia con una -unción de e!resía de la salida 9servo< v)lvula:
ig. 1* Funciones de membresía "ara la derivada del error
4.
ig. 1 1ra5ica 5inal del sistema con las 5unciones de membresía asociadas entre las entradas y la salida del controlador
uego de realizar las -unciones de e!resía $ las reglas di-usas &rocedeos a realizar las &rue!as con el &rograa PID di-uso.
ig. 1? .eglas di5usas dise!adas "ara el controlador
ig. 15 Funciones de membresía "ara la salida del sistema %servo&vlvula'
ig. 1A 9iagrama de bloques "rogramación controlador
Pruebas y puesta a punto <
Des&u6s de tener los &rograa $ la aueta lista &rocedeos a conectar todos los dis&ositivos $ e&ezaos a realizar &rue!as de -uncionaiento, o!servaos cóo se ueve el servo, coo counica $ ide distancia el sensor (C<=>0*, ta!i6n se o!serva el !uen -uncionaiento de la !o!a, a continuación veos con el control PID coo el sistea e&ieza a !uscar el &unto de re-erencia.
=I3/43I>%&I43 &43/24L%D42 PID &43VE3&I43%L < %l &rinci&io de las &rue!as con los valores calculados del PID convencional o!servaos ue el sistea conuta!a deasiado r)&ido $ ue el controlador reacciona!a ante cualuier ca!io del sensor, este controlador esta!a u$ sensi!le de anera ue veri-icaos las constantes del controlador PID $ luego de &ro!ar con otras &osi!les constantes deterinaos ue lo
Marzo de 2015. Ingeniería Mecatrónica, Universidad De Caldas
ue sucedía era ue la constante FdG+H*.1+1 lo cual era deasiado crítico &ara el sistea $a ue ese valor nos desesta!iliza!a el controlador. Por ello ca!iaos este valor de la constante &or un valor ucísio )s !ao $a ue el sistea res&ondía uco eor cuando la constante Fd se encontra!a u$ cerca del cero, &or lo ue decidios esta!lecer coo eor constante &ara el tra!ao de este controlador un valor de FdG1J10K<11, con esto nuestro sistea res&ondía sin &ertur!aciones cuando esta!a en odo de o&eración.
=asta que el valor del nivel este cerca a la re5erencia'#
ig. 21 )emos el com"ortamiento del error y de la reacción de la b>squeda de la re5erencia en la siguiente imagen#
Para sintonizar adecuadaente este ti&o de controlador tuvios ue &ro!ar una $ otra vez los rangos $ valores de las -unciones de e!resía $a ue en un &rinci&io la v)lvula conuta!a &ero no tenía uco recorrido, &artiendo de la &rue!a $ error llegaos a la eor o&tiización &osi!le de este controlador aunue no conuta de la isa anera ue lo ace el controlador PID &odeos ig. 20 En esta imagen se convencional o!servar ue el sistea es observa la linealidad del sistema y el ó"timo ca&az de llegar a la re-erencia 5uncionamiento del sistema, ue le indiueos. llega a re5erencia y se mantiene, esto es lo que buscamos en un sistema de este ti"o#
5
',3&I43%(IE3/4 &43/24L PID DI',=4< Coo encionaos anteriorente en la i&leentación de las reglas di-usas, o!servaos el -uncionaiento un &oco )s lento en la reacción del &unto ig. 22 -e observa en los dos de re-erencia, &ero o!servaos ue de igual "rogramas la linealidad del anera este llega a &unto de sistema y la versatilidad de re-erencia la "rogramación en (ab)ie*# ig. 1H En esta imagen vemos como el nivel em"ieza a subir %línea ;lanca' buscando el "unto de re5erencia %línea .o4a', a continuación vemos como busca el "unto %cierra la vlvula
III$
&43& L,=I 43E=
=e de!e sie&re realizar un an)lisis de los &ro$ectos a realizar se de!e veri-icar, disear $ &ro!ar correctaente la &lanta ue vaos a construir &ara diensionar la ingeniería de detalle. =e de!en tener en cuenta todas las raas de la ingeniería coo son la electrónica, ec)nica, &ara &oder disear $ eecutar un &ro$ecto. /ste &ro$ecto -ue un desa-ío u$ i&ortante &orue se &udo a&licar lo a&rendido durante un &eriodo largo de la carrera $ se &udo o!servar cóo eos avanzado en el desarrollo e i&leentación de la ingeniería. I&leentaos una nueva -ora de &rograar un %rduino coo 8areta de aduisición de datos $ su de!ida counicación con el so-t#are
Marzo de 2015. Ingeniería Mecatrónica, Universidad De Caldas
?
a!"ie#, ade)s de los !ene-icios ue estas dos tecnologías nos &eriten &ara desarrollar $ o&tiizar cualuier &roceso industrial o ecatrónico. /s satis-actorio ver coo atreves de un &rograa oveos todos los eleentos del &ro$ecto $ de -ora sincronizada $ controlando varia!les dis&uestas &or nosotros. %&rendios a reconocer las -allas ue &ueden ocurrir al oento de desarrollar un controlador $a sea PID convencional o PID con lógica di-usa. >econocios ue un controlador PID convencional es )s /4acto $ Preciso en co&aración a un controlador PID con lógica di-usa &uesto ue con un controlador PID convencional teneos en
cuenta el odelado ate)tico del sistea, ientras ue con un controlador PID Di-uso teneos uca incertidu!re &uesto ue no calculaos los valores de -uncionaiento del sistea, solo los deterinaos $ &or ello a$ realizar &rue!as constanteente &ara sintonizar eor el controlador. >ecordaos $ a&rendios nuevos odelos de &rograación $ su i&leentación , &ara &oner a tra!aar una &lanta &rototi&ada. I&leentaos un &ro$ecto ue tiene una a&licación industrial real
0ibliogra)a< tt&ELLelcaondeardu. !logs&ot.coL201*L 0+Ltutorial
B20=ervoB20otor B20con B20%rduino.&dtt&ELLes.#iFi&edia.o rgL#iFiL" BC+B%1lvulade !ola tt&ELLes.#iFi&edia.o rgL#iFiL@o!asu ergi!le tt&ELL###.arduino. ccLenLMainLarduino @oardMega