Barra y bola

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

SISTEMAS DE CONTROL ALUMNO:

BRIAN CUCHIPARTE

DOCENTE:

ING. FRANKL FRANKLIN IN SIL S ILVA VA

1. TEMA: Control PID de Barra y Bola con Arduino 2. OBJETIVOS: 2.1 OBJETIVO GEE!A": 

Diseñar e implementar un controlador PID para situar una bola de pin pon en el punto central de una barra.

2.2 OBJETIVOS ESPEC#$ICOS: • • • •

Investigar el funcionamiento de un control PID para su adecuada aplicación. Inquirir el funcionamiento de cada uno de los elementos a utilizar. Diseñar el diagrama del circuito controlador de una barra y bola con Arduino. Implementar el controlador y analizar los resultados obtenidos.

%. !ES&ME El objetivo del presente controlador es situar la bola en el centro de la barra inclinndola de forma conveniente mediante un lazo cerrado de control. Es un sistema clsico en la Ingenier!a de "ontrol. #ediante un $ensor de distancia% medimos la posición de la bola. "on un "ontrolador% mediante control PID% calculamos el ngulo en el que deber!amos inclinar la barra para colocar y estabilizar la bola en el centro de la barra. &inalmente% un actuador modifica la inclinación de la barra y as! regular la posición de la bola.

'. ABST!ACT '(e purpose of t(e present controller is to place t(e ball in t(e center of t(e bar by conveniently tilting it by means of a closed control loop. It is a classic system in "ontrol Engineering. )sing a Distance $ensor% *e measure t(e position of t(e ball. +it( a controller% by PID control% *e calculate t(e angle at *(ic( *e s(ould tilt t(e bar  to place and stabilize t(e ball in t(e center of t(e bar. &inally% an actuator modifies t(e incline of t(e bar and t(us regulate t(e position of t(e ball.

(. MATE!IA"ES         

 Arduino ),-. )n sensor de distancia infrarrojo $A/P 012A03. )n servo de 4.5 6g7cm de par motor. )na biela anclada al servo7motor. )na barra de aluminio de 3 8 0.9 cm. )n protoboard. )n capacitor electrol!tico de 32 u&. "ables de cone8ión. $oportes para la barra y el servomotor.



"omputador con soft*are Arduino y processing.

). MA!CO TE*!ICO COT!O"ADO! PID )n controlador PID :Proporcional Integrativo Derivativo; es un mecanismo de control gen
El controlador PID viene determinado por tres parmetros= el proporcional% el integral y el derivativo.

 Acción proporcional >a respuesta proporcional es la base de los tres modos de control% si los otros dos% control integral y control derivativo estn presentes%
 Acción integral >a acción integral da una respuesta proporcional a la integral del error. Esta acción elimina el error en r
 Acción derivativa

>a acción derivativa da una respuesta proporcional a la derivada del error :velocidad de cambio del error;. Añadiendo esta acción de control a las anteriores se disminuye el e8ceso de sobre7oscilaciones.

E8isten diversos m
 Aplicaciones

>os controladores PID son suficientes para resolver el problema de control de muc(as aplicaciones en la industria% particularmente cuando la dinmica del proceso lo permite :en general procesos que pueden ser descritos por dinmicas de primer y segundo orden;% y los requerimientos de desempeño son modestos :generalmente limitados a especificaciones del comportamiento del error en estado estacionario y una rpida respuesta a cambios en la señal de referencia;.

>os fabricantes proporcionan los controladores PID de variadas formas. E8isten sistemas del tipo ?stand alone@ con capacidad para controlar uno o varios lazos de control. Estos dispositivos son fabricados en el orden de cientos de miles al año. El controlador PID es tambi
A!D&IO  Arduino es una plataforma de (ard*are libre basada en una sencilla placa de entradas y salidas simple y un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación ProcessingB+iring. Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a soft*are del ordenado. >as placas se pueden montar a mano o adquirirse. $u forma f!sica se puede apreciar en la figura 3 mostrada a continuación=

&igura 3. Placa f!sica Arduino ),-

&uncionamiento= "omo pasa con la mayor!a de las placas microcontroladores las funciones de Arduino pueden resumirse en tres. En primera instancia% tenemos una interfaz de entrada% que puede estar directamente unida a los perif
Por ltimo% tenemos una interfaz de salida% que lleva la información procesada a los perif
SESO! I$!A!!OJO DE DISTACIA S+A!P El sensor de distancia $(arp permite obtener la distancia entre el sensor y algn objeto dentro del rango de C a 2cm. Integra tres dispositivos= )n detector sensitivo de posición :P$D;% un diodo emisor de infrarrojos :I/ED; y un circuito procesador de señales.

>a diferencia en la reflectividad de los materiales% as! como la temperatura de funcionamiento no afectan en gran medida la operación de este sensor debido al m
El dispositivo entrega una salida en voltaje correspondiente a la distancia de detección. 'ambi
Para obtener la distancia en cm% se recomienda tomar como gu!a la grfica voltaje vs. distancia incluida en el datas(eet su forma f!sica se aprecia en la &igura 0.

&igura 0. &orma f!sica de un sensor infrarrojo $(arp

SE!VO MOTO! )n servomotor :tambi
Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que% si bien ya no tiene la capacidad de control del servo% conserva la fuerza% velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.

>os servomotores (acen uso de la modulación por anc(o de pulsos :P+#; para controlar la dirección o posición de los motores de corriente continua. >a mayor!a trabaja en la frecuencia de los 92 (ertz% as! las señales P+# tendrn un periodo de veinte milisegundos. >a electrónica dentro del servomotor responder al anc(o de la

señal modulada. $i los circuitos dentro del servomotor reciben una señal de entre 3 a 3%C milisegundos%
&igura F. Posición de servo7motor y actuación del P+#

,. DESA!!O""O:

El diseño del control PID a implementarse se realizar segn el siguiente diagrama de bloques. &igura C.=

&igura C. Diagrama de bloques a implementarse.

Sen-ado de la o-ici/n de la Bola >a realizamos mediante el sensor de distancia mediante luz infrarroja y detector P$D= $A/P 012A03. &igura 9.

&igura 9. )bicación del sensor en la barra. $i la Gola se acerca ms de C cm al sensor% la medida es errónea. >imitamos el movimiento de la bola en esa distancia. &igura 4.

&igura 4. &reno para bola de pin pon

Acondiciona0iento de la -eal del -en-or 

Para filtrar :paso bajo; la señal del sensor y tener una señal ms precisa y repetitiva% conectaremos un condensador electrol!tico de 32H& entre la salida del sensor y tierra. &igura .

&igura . &iltrado para acondicionar la señal.

"omo la tensión m8ima que vamos a medir es de F%3J% configuraremos la referencia de tensión del Arduino a F%FJ y conectaremos el pin A/E& con la salida de F%FJ del  Arduino. &igura .=

&igura . "one8ión de pin A/E& con F.F J.

De esta forma% los 320C puntos que nos proporciona el "onversor Analógico Digital de 32 bit del Arduino tendrn un fondo de escala de F%FJ en lugar de los 9J por defecto.  As!% incrementamos la resolución de 9mJBAD" a FmJBAD".

Actuador  Inclinaremos la barra con un $ervo EK'/-,IL K9232 de 4%5 6g.cm de par motor y una biela de fibra de vidrio anclada a un e8tremo de la barra. &igura 5.

&igura 5. $ervo7motor con biela anclada.

En este servo en concreto la posición 2M se obtiene con pulsos de 2%9ms y el giro de 32M con 0%Fms.

Controlador  )tilizaremos un clon de Arduino con microcontrolador A'#E> A'#ENAF07P) equiparable al Arduino ),- o al antiguo Duemilanove original.



/ecibe la medida de la posición de la bola en su entrada analógica A2.  Emite pulsos para controlar el servo en su salida digital 30.   A trav
que

son

recibidas

por

un

P"

ejecutando

una aplicación

desarrollada en Processing y que nos permitir disfrutar de grficas de la posición y la velocidad de la bola en función del tiempo% &igura 32.

&igura 32. Nrfica en Processing de la posición :azul; y velocidad :rojo;.

E-ue0a del -i-te0a co0leto El diseño del circuito a implementarse se puede apreciar a continuación. &igura 33=

&igura 33. Diseño del circuito a implementar.

E-ue0a del control co0leto El diseño del controlador a implementarse se puede apreciar a continuación. &igura 30=

&igura 30. Diseño del controlador a implementar.

3. A4"ISIS DE" !ES&"TADO >as secuencias de medida y reacción :los ciclos de programa; no se (arn tan rpido como pueda el microcontrolador% sino cada 92ms :valor almacenado en la variable period;. $e realiza as! porque los sistemas de control PID funcionan mejor si los ciclos de medida y reacción siempre tienen la misma duración.

El microcontrolador% con reloj de 34#z% tiene velocidad suficiente para (acer el ciclo de programa en menos de 32ms. Pero con ciclos tan rpidos% la medida de la velocidad de la bola pierde precisión porque las diferencias en la posición de la bola entre ciclos son m!nimas y se calcula la velocidad de la bola como la diferencia en su posición en 0 ciclos consecutivos de programa.

$i se alarga el periodo a 322ms% la medida de la velocidad es ms precisa% pero el servo funciona de una forma perceptiblemente intermitente. 'ras las pruebas realizadas% un per!odo de 92ms aporta mediciones aceptables de la velocidad de la bola y un funcionamiento del servo fluido.

5. COC"&SIOES 

$e buscó que el valor ms pequeño de 6p sea suficiente para inclinar la barra cuando la bola est cerca del objetivo para lo que se considera que valores grandes (acen que la bola alcance demasiada velocidad y luego (ay que

detenerla en el centro.  Para el sistema construido% un valor adecuado de 6p es 0. $ólo con el t
acotar 

convenientemente su acción porque de lo contrario conlleva demasiada inestabilidad.

16. !ECOMEDACIOES



Establecer correctamente la posición gradual f!sica del servo7motor :2M 52M

32M; para que se estabilice correctamente la bola en la barra.  "olocar una fuente alterna de voltaje para el consumo de energ!a del servo7 motor y conectar la tierra de imitar la bola a C cm del sensor de distancia infrarrojo.

11. BIB"IOG!A$#A: O3 (ttp=BBroble.unoBcontrol7pid7barra7y7bola7arduinoB

O0 (ttp=BB***.naylampmec(atronics.comBsensores7pro8imidadB02F7sensor7infrarrojo7de7 distancia7s(arp7gp0y2a03.(tml

OF (ttps=BB***.taringa.netBpostsBciencia7educacionB3992FBQue7es7y7para7que7sirve7 arduino.(tml

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AE7OS