DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL PID DE TEMPERATURA UN ATRAVES DE LA TOMA DE DATOS ATRAVES DE UNA PLACA ARDUINO Y SU PROCESAMIENTO EN EL SOFTWARE LABVIEW. DESIGN, CONSTRUCTION AND IMPLEMENTATION OF A PID TEMPERATURE CONTROL THROUGH A DATA MAKING THROUGH A PLATE ARDUINO AND PROCESSING SOFTWARE IN LABVIEW.
25/08/2016
Universidad de las Fuerzas Armadas – Ecuador Ecuador Torres Diana Santos Brayan Saltos Joan Galabay Ricardo
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Resumen Este trabajo presenta la implementación implementación de un sistema de control Proporcional Integrador Derivativo (PID), de temperatura para una piscina. Se realizó una familiarización con el modelo matemático, de la dinámica de flujos fl ujos de datos, en una placa Arduino. Este modelo se i mplementó mediante bloques funcionales en Labview. Terminada esta fase, se creó un algoritmo de identificación de los parámetros de la planta, obteniendo datos temperatura y tiempo, así mediante Excel obtuvimos una curva de nuestros parámetros, transformando al dominio dominio S, con con el cual cual se se logró identificar un modelo. Se realizaron varias pruebas hasta obtener el mejor modelo para cada orden, con los cuales, se inició el diseño del controlador. El desempeño del control, se estudió en detalle, y proporcionó las directrices directrices para la selección selección de los parámetros del controlador. Se logró un desempeño desempeño aceptable, durante el funcionamiento con el control PID, donde la mejor respuesta del sistema, se obtuvo con la implementación del modelo obtenido.
Palabras Claves: Arduino, LabView, Algoritmo, Algoritmo, Controlador
Abstract This paper presents the implementation of a proportional control system Integrative Derivative (PID) temperature for a pool. Familiarization with the mathematical model of dynamic data flows in an Arduino board was made. This model was i mplemented by functional blocks in Labview. He finished this phase, identification algorithm parameters of the plant was created, temperature and time gathering data and using Excel got a curve of our parameters, transforming the domain S, with which it was possible to identify a model. Several tests were performed to obtain the best model for each order, with which the controller design began. Control performance was studied in detail, and provided guidelines for selecting the controller parameters. Acceptable performance was achieved during operation with PID control, where the best system response was obtained with the implementation of t he model obtained.
Keywords: Arduino, LabView, Algorithm , Controller
1. Introducción La temperatura es una magnitud física que tanto en el ámbito doméstico e industrial es interesante controlar para tener un un mayor confort y eficiencia energética. El control se puede realizar tanto manual (control en lazo abierto) como automático (control en lazo cerrado). El control en lazo abierto es un control de encendido-apagado, en nuestro caso para calentar una habitación, un calentador se enciende o se apaga. En control en lazo cerrado se tiene un controlador que compara la variable (temperatura que se mide con un sensor) con la referencia, temperatura que se quiere tener en la habita ción, y convertir el error que resulta en una acción de control para reducir el error. La unidad de control puede reaccionar de diferentes maneras ante la señal de error y proporcionar señales de salida para que actúen los elementos correctores. o o o o
Tipos de controles: Control proporcional Control derivativo Control integral
Control PID El control Proporcional Integral Derivativo (PID) es mecanismo de control mediante realimentación negativa, el cual aplica una acción correctora al sistema para obtener el valor de consigna (Setpoint). Existe multitud de recursos en internet acerca del mismo, por lo que aquí se verá desde el punto de vista práctico. Por ejemplo, wikipedia dispone de una buena introducción.
2. Materiales y métodos Materiales a utilizar MATERIALES CANTIDAD CARACTERÍSTICA Placa arduino Mega R3
1
Cable de timbre.
5 metros
TRIAC BTA41A600B
1
Niquelina comercial
1
El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, usualmente Atmel AVR, puertos digitales y analógicos de entrada/salida, Asimismo posee un puerto de conexión USB desde donde se puede alimentar la placa y establecer comunicación serial con el computador. Se llama cable a un conductor (generalmente cobre) o conjunto de ellos generalmente recubierto de un material aislante o protector, si bien también se usa el nombre de cable para transmisores de luz (cable de fibra óptica) o esfuerzo mecánico (cable mecánico). Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. Son resistencias calentadoras que convierten energía eléctrica en calor.
GRÁFICO
Disipador de calor
1
Un disipador es un instrumento que se utiliza para bajar la temperatura de algunos componentes electrónicos.
MOC 3041
1
Por facilidad de compra además de que presenta un cruce por cero igual que el MOC3021
LM35
1
Mide la temperatura, este debe ser colocado dentro del líquido para medir su temperatura.
Circuitos implementados Implementación del circuito que nos permite identificar el cruce por cero necesario para activar a la niquelina gracias al moc3041, “Fig. 1”.
Figura 1. Implementación del circuito
Hardware (circuito de control) Una vez armado toda la parte de potencia, procedemos a la parte de control, para ello conectamos el PIN PWM 8 a un LED indicador, después de ello a una resistencia de 330 ohmios para evitar quemar el LED, todo eso se manda a la patita 1 del MOC 3041 y ahí se cierra el circuito de la pata 2 con GND del arduino.
Una vez culminada la parte del armado subimos el archivo del LIFA (labview interface for Arduino) a nuestro arduino arduino MEGA. “Fig. 2”.
Figura 2. Interfaz de Arduino.
Programación den labview(software de control) Adquisición de datos Para ello nos vamos a Read analog pin, esto para proceder a leer el dato analogo que emite nuestro lm 35, a este le debemos multiplicar por 100 ya que nos entrega un valor de temperatura expresado en milivoltios. Cremaos un set point variable, que nos servira para comparar nuestro valor de temperatura ledia a traves del LM35, de la misma manera podemos crear un indicador slider para nuestro valor leido e temperatura y calor de control, quedando asi la interfaz, “Fig. 3”.
Figura 3. Interfaz de control.
Ahora accedemos al toolkit PID fuzzi que ofrece labiew, “Fig. 4”.
Figura 4. Programa para lectura del sensor LM35
Con la informacion encontrada, conectamos la salida del control del Set point al pin Set point del PID fuzzi, unimos la salida de temperatura real al process variable del PID, el valor out le mandamos un indicador, el cual ya creamos y las PID Gain, “Fig. 5”.
Figura 5. Interfaz final
3. Resultados y discusión Después de seleccionar bien los puertos usb, y los pines del arduino se concluye que la maqueta funciona correctamente, ya que al setearse un sp cualquiera la niquelina se activa y trata de alcanzar la niquelina seteada, incluso con perturbaciones Una cuestion importante es crear un tiempo de muestre ya que si no lo hacemos labvieww arrancara a la maxima velocidad de procesamietno de la computadora, para ello se agrega un tiempo de espera dentro de la sentecia while el cual esta en programin/timingwaitutil y le asigamos una cosntante de 300 ms, osea 0.3 segundo lo cual es bastante aceptable y eficiente. El control para este caso tiene un margen de error del 7.14% es decir para un set point dado no se acciona el control sino que despues pasado de algunos decimas de centigrados, se aumentaría la presicion de la temperatura con otro sensor mas exacto como el EE210.
4. Conclusiones o o
o
Se logró implementar de manera satisfactoria el PID. LabView es una herramienta muy eficaz para la creación de instrumentos de medición. La velocidad de comunicación de la interfaz de LIFA es aceptable ya que no genera errores y es muy útil para programar PID rápidamente.
o
La herramienta PID.vi de LabView no es la única forma de resetear el PID, LabView dispone de otras las cuales pueden resultar más efectivas, pero a potencias menores.
5. Recomendaciones o
o o
Tener cuidado a la hora de manipular agua con la niquelina activa ya que hay riesgos de contacto eléctrico. Evitar usar cables dañados o en mal estado para el proyecto. Se puede usar el tipo de conexión LIFA para proyectos que requieran comunicación con otros dispositivos como PICS, u otras tarjetas.
6. Referencias bibliográficas Acedo, J. S. (2006). “Instrumentación y control avanzado de procesos “. Aström, K. L. & B. (2008). Wittenmark. “Adaptive Control”. 2 Edición, Dover Publication. Arduino.cl. (16 de Mayo de 2015). Obtenido de http://arduino.cl/arduino-mega-2560/ Digital.NI.COM. (16 de Mayo de 2013). Obtenido de http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/AA1BDEA4AA224E3E86257CE400707527 NationalInstruments.NI. (1 de Abril de 2014). Obtenido de https://www.ni.com/visa/ Wiki.org. (13 de Diciembre de 2015). Obtenido https://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_PID#Significado_de_las_constantes
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