paper pidlabview_rodriguez, montaÑo

7/31/2019 PAPER PIDlabview_RODRIGUEZ, MONTAO

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AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL

CONTROL PID DE UNA PLANTA DE LUZ - LABVIEW

Milton Rodrguez A. - Anita Montao V.

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Milton Rodrguez lvarez Anita Montao [email protected] [email protected]

087456769 092581399

Estudiantes de la carrera de Ingeniera Mecatrnica de la ESPE

1. RESUMENEn el presente artculo se describe la forma

de implementar dos tipos de controladores

como es el control difuso y el control PID si

as se requirieran las condiciones para una

planta de luz que consta de aun actuador

formado por un arreglo de 15 leds que

dependiendo del valor del ancho de pulso

cambiara su frecuencia, y un sensor LDR

acondicionado con un divisor de voltaje.

En este artculo se describe a la planta y la

manera en que se desarroll el control en

cuanto a programacin utilizando la

herramienta LabView.

2.ABSTRACTThis article describes how to implement two

types of controllers such as fuzzy control and

PID control if conditions were required for a

power plant consisting of even actuator

consists of an array of 15 LEDs that

depending on the value pulse width will

change its frequency, and an LDR sensor

fitted with a voltage divider.

This article describes the plant and how

control was developed for programming

using LabView tool.

3. PALABRAS CLAVESPWM, PID, Constante Proporcional,

Constante Integral, Constante Derivativa , Set

Point, Error, Control, Lmenes, LabView,Control difuso, DAQ.

4. KEYWORDSPWM, PID, Constante Proporcional,

Constante Integral, Constante Derivativa, Set

Point, Error, Control, Lmenes, LabView,

Control difuso, DAQ.
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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5. INTRODUCCINEste artculo trata sobre el control de una

planta de luz mediante un arreglo de leds

como actuador y un sensor LDR utilizando las

herramientas de Labview para la

programacin de un controlador PID clsico y

un controlador difuso por separado. La

propuesta del diseo es mediante el uso de

una DAQ de serie 6008 de la empresa

National Instruments con conexin USB para

el envo y recepcin de datos donde

ingresara un valor analgico del sensor

acondicionado con un divisor de voltaje para

obtener rangos de salida de 0 a 5 Voltios,

rango de voltaje permisible a la entrada y

salida de la DAQ. Se cuenta tambin con un

amplificador en la configuracin de seguidor

a la salida del divisor de voltaje con el fin de

eliminar las altas impedancias y que la seal

ingrese ms pura reduciendo los ruidos.

Una vez ingresada la seal del sensor al

ordenador se realizar el algoritmo de

control respectivo para poder obtener los

controladores y as enviar una seal de salida

como realimentacin de la planta.

El control se basa en la modulacin de ancho

de pulso PWM de los leds por lo que la DAQ

no cuenta con una salida destinada para esta

accin, por esta razn la seal de salida ser

enviada a un microcontrolador PIC16F877A

que hara el trabajo de variar la frecuencia delos leds produciendo una variacin de

intensidad de luz y por tanto una variacin

de voltaje debido al sensor logrando la

retroalimentacin de la planta con el

respectivo control deseado.

5.1Alcance del Estudio:Para este laboratorio se tratar deimplementar dos controladores un PID y un

FUZZY estabilizar la planta de luz, lo que se

trata de hacer es que el error de estado

estacionario de salida a la planta sea cero,

otro objetivo que se desea alcanzar es tratar

que el error de estado estacionario debido a

una perturbacin sea nulo para realizar esto

en el caso del controlador PID se variaran las

constante proporcional arbitrariamente y en

el caso del controlador DIFUSO se realizar

correctamente las funciones de membresasy las condiciones para alcanzar los objetivos

propuestos.

.

6. GENERALIDADES6.1 PID: uno de los controladoresfrecuentemente usados en la industria de

procesos. En un controlador PID la variable

de control se genera por trminos

proporcional al error, proporcional a laintegral del error y proporcional a la derivada

del error.

Figura 1: Diagrama de Bloques de un controlador PID

La figura 1 muestra el diagrama de bloques

de un clsico controlador PID en tiempo

continuo. Sintonizar el controlador involucra

ajustar los parmetros Kp, Ki y Kd para obtener

una respuesta satisfactoria. Las


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caractersticas de un controlador PID son bien

conocidas y establecidas, y la mayora de de

los controladores modernos estn basadas

sobre formas PID. [1]

6.2 Control Difuso: el Control Difuso

representa actualmente una novedosa e

importante rama de la tcnica de regulacin.

Los controladores fuzzy, al igual que otros,

toman los valores de las variables de

entrada, realizan algn procedimiento con

ellas, deciden como modificar las variables

de salida y lo realizan, afectando estasltimas a la planta. La diferencia esencial es

que no procesan ecuaciones ni tablas,

procesan reglas para decidir cmo cambiar

las salidas. Esto lo hace una tecnologa muy

accesible, ya que las reglas estn ms cerca

del sentido comn que de las ecuaciones y

los modelos. [1]

6.1 Seal de salida: es la variable que sedesea controlar (posicin, velocidad, presin,temperatura, etc.). Tambin se denomina

variable controlada. [1]

6.2 DAQ: Es una tarjeta de adquisicinde datos de National Instruments capaz de

realizar mediciones de voltaje. Cuenta con

soporte para la mayora de los sistemas

operativos. La comunicacin con la PC es a

travs de USB. [2]

6.3 Tiempo de establecimiento (settlingtime): ts es el tiempo que toma el sistemapara que el transitorio decaiga. [1]

6.4 Tiempo del pico(peak time): tp es eltiempo que toma el sistema para alcanzar el

mximo valor (el sobrepico). [1]

6.5 Seal de referencia: es el valor quese desea que alcance la seal. [1]

6.6 Error: es la diferencia entre la sealde referencia y la seal de salida real. [1]

6.7 Seal de control: es la seal queproduce el controlador para modificar la

variable controlada de tal forma que se

disminuya, o elimine, el error. [1]

6.8 Seal anloga: es una seal continuaen el tiempo. [1]

6.9 Planta: es el elemento fsico que sedesea controlar. Planta puede ser: un foco,

un motor, un horno, un sistema de disparo,

un sistema de navegacin, un tanque de

combustible, etc. [1]

7. ELEMENTOS UTILIZADOS7.1 Acondicionamiento LDR

Figura 2: Acondicionamiento del LDR

Para la elaboracin de este circuito se utiliz

como sensor un LDR (light dependent

resistor) dispuesto en una configuracin de

divisor de voltaje con un amplificador

operacional LM324 en configuracin


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seguidor.

El propsito del divisor de voltaje es que alvariar la resistencia con un cambio de luz,

vare el voltaje de salida en rangos

requeridos. La otra etapa corresponde al

seguimiento de la seal de voltaje con el fin

de eliminar altas impedancias a la entrada

del amplificador.

7.2Circuito Leds (Actuadores)

Figura 3: Circuito LEDS

Para la elaboracin de este circuito se

elabor una placa la cual consta de 15 leds

(placa de 3 filas de 5 leds cada una)

resistencias para su proteccin.

Se utiliza un transistor BD139 ya que cuenta

con una corriente del emisor de 200 mAnecesarias para poder encender el nmero

de leds requeridos, este transistor tiene la

funcin de cambiar su estado de saturacin a

corte cuando vare el ancho de pulso de la

salida del PIC.

7.3Circuito del PIC

Figura 4: Circuito microcontrolador

Como podemos observar en la figura la seal

de salida del control enviado por la DAQ est

ingresando al microcontrolador que tiene la

funcin mediante programacin del voltaje

ingresado convertirlo de anlogo a digital y

enviarlo como PWM de 0 a 10 bits de lo que

soporta la conversin.

7.4DAQ NI 6008

Figura 5: DAQ, NI-USB-6008


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CARACTERISTICAS GENERALES

entradas analgicas (12 bits, 10 kS/s) 2 salidas analgicas (12 bits a 150 S/s),

12 E/S digitales; contador de 32 bits

Diseo energizado por bus para mayorcomodidad; conector de 34 pines para

fcil integracin

Software controlador para Windows, Mac

OS X , LinuxR y PDA

ENTRADA ANALGICA

Velocidad de muestreo de 10 KHz

Resolucin de lectura de 12 bits.

Voltajes mximos de -10 a +10 volts con

una precisin de 138 mV, o de -1 a 1 con

precisin de 35.7 mV.

Memoria interna de 512 bits.

La salida analgica consta de dos canales a

150 Hz sobre segundo. Con resolucin

de 12 bits.

Solo tiene un rango de 0 a 5 V con una

precisin de 7 mV.

La capacidad de corriente mxima para la

salida analgica es de 5 a 10 mA

Una impedancia de salida de 50

Escalas en el modo de entrada diferencial:

20V, 10 V, 5 V, 4 V, 2.5 V, 2 V, 1.5 V, 1 V.

[4]

7.5 Diseo de la plantaLa planta del sistema constituye una caja de

madera de 40x25x30 cm, las misma que se le

pint de negro la parte interna ya que el

negro tiene la propiedad de atraer luz y

almacenar la energa en mayor cantidad de

energa en mayor cantidad que otros colores.

En la caja se encuentra el elemento de

control, en este caso un los 15 leds de alta

intensidad ubicados en el interior de la

misma. La caja est provista de dos

ventanales y una puerta por donde ingresara

la luz del medio externo.

Figura 6: Planta de luz

7.6Diagrama de bloques de la lgicaimplementada para el control

Figura 7: Diagrama de bloques - lgica implementadapara el control


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7.7 Adquisicin y procesamiento deDatos

Para la adquisicin y procesamiento de datos nos

ayudaremos de la DAQ en donde utilizaremos el

puerto AI0 para la lectura del sensor y el

puerto AO0 para la salida de la DAQ hacia

el PIC.

Se debe verificar tanto la variacin de la

entrada como la salida analgica tal como

se muestra en las figuras 8 y 9.

Figura 8: Verificacin de la entrada analgica en DAQNI USB 6008

Figura 9: Verificacin de la salida analgica en DAQ NIUSB 6008

7 DISEO DEL CONTROLADORPID

8.1 LabView Programacin

Para la programacin del LabView

utilizaremos principalmente el bloque de PID

Autotuning, el cual tiene donde colocar todo

los parmetros necesarios para poder

realizar la seal de control requerida,

aadido tambin en la programacin interna

el efecto wind up.

Figura 10: Bloque PID de LabVIEW


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Figura 11: Programacin del controlador PID enLabVIEW

En la figura 11 se puede ver la programacin

del controlador PID en LabView. Primero

para que el control sea continuo se cre un

lazo While. En las variables de proceso lo

que se realiza al tener ya la seal de entrada

es obtener un valor ms real del sensor

haciendo un promedio de los valores

ingresados cada 10 datos recibidos, con esto

tambin logramos eliminar de cierta forma

las seales producidas por ruidos externos,

esto se logra mediante la lgica MEAN.

Como el sensor enva una lgica inversa

realizamos una resta de un valor referencial

de 5 Voltios con el fin de que la variacin de

luz sea directamente proporcional al voltaje,

ingresamos las ganancias PID, y el set point,

estas seales entran al cono de PID para ser

procesada y salir a la DAQ. Se coloc un

tiempo de muestreo de 0.1 seg. para que el

controlador tenga una rapidez aceptable.

8.2 Interfaz Grfica del controlador PID

En la figura 12 podemos ver e en la pantalla

HMI como acta el controlador cuando la

senal sensada alcance al setpoint, se puede

observar tambin el cuadro de las constantes

proporcional, integral y derivativa, el ingreso

de las constantes del controlador es

dinmico

Figura 12: Interfaz grfica para el control PID


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8 DISEO DELCONTROLADOR DIFUSOPara el diseo de este controlador nos

basaremos en el principal objetivo que nos

planteamos la estabilizacin luminosa del

sistema, con esto buscamos tener un punto

de equilibrio luminoso dentro de la planta,

para ello nos valdremos del control difuso,

con el cual se controlaran los elementos que

regirn las variables de trabajo.

La logica que se usa para el control de luz

dependiendo de las personas que se

encuentren dentro del entorno es que a

mayor cantidad de individuos, mayor

cantidad de luz y dependiendo tambin de

cuanta luz externa se tenga.

Por este motivo se realiz dos lgicas difusas,

la primera se basa en comparar el nmero de

personas (de 0 a 20) con el valor de

luminosidad del actuador (de 0 a 5V )

En la segunda lgica se ingresa un valor del

error entre la seal del setpoint y la seal delsensor, y la salida es una compensacin

dependiendo del valor de entrada con lo que

se logra el controlador deseado.

9.1 Fuzzyficacin de las funciones demembreca.

Para el primer fuzzyPara el nmero de personas tenemos un

rango de 0 a 20 personas y los grados depertenencia son: pocas, normal, alta se

realiza las funcin de membresa del

extremo derecho como funciones

trapezoidal, para el resto el proceso es

con funciones triangulares.

Para el set point tenemos un rango de 0

a 4.5 y los grados de pertenencia son:

bajo, medio, alto se realiza la funcin de

membresa del extremo derecho como

funciones trapezoidal, para el resto el

proceso es con funciones triangulares.

Figura 13: Membresa para el nmero depersonas

Para el segundo FuzzyCompensacin

La resta de la luz requerida y la luz actual

genera un error de valor e, lo que se

busca es que esta seal de error sea igual

a la seal de control, dependiendo de la

entrada del error se busca la salida mas

apropiada por lo que se realiza una

compensacin en donde el control actual

acumulado va a ser igual a la seal de

control anterior mas la seal de control

actual.


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Figura 13: Membresa para el set point

9.2 Reglas Difusas (Heursticas)Establecidas de acuerdo al requerimiento de

cmo se quiera establecer la estabilidad en

el sistema las mismas que se interrelacionan

entre s para obtener un fin comn.

Primer Fuzzy

Figura 14: Reglas para el sistema fuzzy 1

Para el segundo FuzzyCompensacin

Figura 15: Reglas para el sistema fuzzy 2Compensacin

9.3 Evaluacin de reglas

Se usa la opcin fuzzy logic para laevaluacin de reglas, esto se basa en que

toda regla que cumpla algo juzga. Por lo que

cada regla queda con su peso

correspondiente.

Como se puede observar la superficie

adquirida de las funciones de membresas y

de las reglas dadas a cada lgica difusa

nmero uno, al inicio se tiene un aumento

considerable, esto es debido al rango de

control del sensor usado (2.6 a 5 voltios) por

lo que para 0 personas el valor de salida ser

0 Voltios pero para valores de 1 a 20

personas la salida tendr un rango de

operacin de 2.6 a 5 Voltios.

Figura 16: Evaluacin de las Reglas Primer Fuzzy


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En la segunda superficie podemos observarcompensaciones tanto negativas como

positivas, esto es debido al lugar en donde se

encuentre el control respecto al setpoint ya

sea por bajo o por encima del mismo.

Figura 17: Evaluacin de las Reglas Segundo FuzzyCompensacin

9.4 Interfaz Grfica del controlador PID

En la figura 18 podemos ver en la pantallaHMI la seal de control ante el ingreso de

cierto nmero de personas.

Figura 18: Interfaz Grfica para el control difuso

9 CONCLUSIONESComo pudimos observar en la prctica, tanto

en el controlador difuso como en el

controlador P usado, el problema fue de que

en rangos bajos de luz , existan ruidos con

seales peridicas por lo que era necesario

un filtro para poder eliminar estas seales.

Con el fin de verificar la frecuencia de ruido

que ingresaba se hizo uso de la herramienta

Spectral de Labview pudiendo observar que

se tena una frecuencia de 69 Hz por lo que

se dise un filtro pasabajos tipo software

con el uso de una resistencia y capacitor en

serie para poder eliminar este problema.

Para el controlador PID fue necesario una

accin proporcional para poder controlar el

sistema obteniendo resultados aceptables

respondiendo a perturbaciones.

Las reglas del control difuso se lo realizo en

base al rango de operacin del sensor y para

el segundo fuzzy una compensacin del error

para que el control alcance el valor del

setpoint a un tiempo de 0.1 segundos por

cada iteracin por lo que el control es rpido

a la variacin del setpoint o a cualquier

perturbacin.


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10 FUENTES DEINFORMACIN

[1] Introduccin a la Implementacin de

Controladores PID Anlogos - Juan Antonio

Contreras Montes

[2]http://en.wikipedia.org/wiki/Motor_contr

oller

[3] W. Bolton ;Mecatrnica, Sistemas de

control electrnico en ingeniera mecnica y

elctrica, 2 Edicin

[4]Instituto tecnolgico De san Luis potos -

instrumentacin virtual - Mara Guadalupe

Zrate.

11. FUENTES DEINFORMACIN

program daq

%DECLARACION DE CONSTANTES

dim current_duty as byte

dim ent_daq as float

dim sal_digital as string [7]

dim sal as string [7]

%CONFIGURACION DEL PUERTO B COMO

SALIDAS PARA LA LCD

dim LCD_RS as sbit at RB4_bit

LCD_EN as sbit at RB5_bit

LCD_D4 as sbit at RB0_bitLCD_D5 as sbit at RB1_bit

LCD_D6 as sbit at RB2_bit

LCD_D7 as sbit at RB3_bit

LCD_RS_Direction as sbit at TRISB4_bit

LCD_EN_Direction as sbit at TRISB5_bit

LCD_D4_Direction as sbit at TRISB0_bit




%INICIALIZACION DE LA LCD

sub procedure Iniciar_Lcd

Lcd_Init()

Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR)

Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF)

end sub

sub procedure InitMain()

%CONFIGURACION DE PUERTOSADCON1=128

TRISA = 255

TRISB=%11000000

PORTC = 0 ' set PORTC to 0

TRISC = 0 ' designate PORTC

pins as output

%INICIO DE PWM A 5KHZ DE FRECUENCIA

PWM1_Init(5000) ' Initialize

PWM1 module at 5KHz

end sub

main:InitMain()

delay_ms(100)

%INIZIALISA EL PWM

PWM1_Start()

current_duty=0 ' start PWM1

PWM1_Set_Duty(current_duty)

Iniciar_Lcd

Lcd_Out(1,1,"V DAQ:")

Lcd_Out(2,1,"DUTY:")

%ESCRIBE EL VALOR DEL VOLTAJE DE LA DAQ

EN LA LCD

FloatToStr(ent_daq,sal)

Lcd_Chr(1,8,sal[0])

Lcd_Chr(1,9,sal[1])

Lcd_Chr(1,10,sal[2])



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%ESCRIBE EL VALOR DEL PWM EN LA LCDWordToStr(current_duty,sal_digital)

Lcd_Chr(2,8,sal_digital[0])





%CONVERSION ANALOGO DIGITAL

inicio:

ent_daq = 255*(ADC_Read(0)/1023)

%EL VALOR ANAOLOGO LO CONVIERTE EN

MODULACION DE ANCHO DE PULSO

current_duty=ent_daq

PWM1_Set_Duty(current_duty)

goto inicio

end.


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CONTROL PID DE UNA PLANTA DE LUZ


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