Aplicacion De Pid, Proyecto Control Automatico (calentador De Agua) 6j2co

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA ÁREA DE LA ENERGIA, LAS INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES

Ingenieria en Electromecánica Control Automático INTEGRANTES: JAIRO ESPINOSA RICARDO MACAS JONATHAN MEDINA DIXON MOLINA BYRON REMACHE GALO PUCHA LOJA-ECUADOR

Uso de Simulink y Arduino para un Proyecto de Control Automático Resumen En este artículo se presenta el diseño de un equipo y un conjunto de prácticas para la asignatura de Control Automático, mediante el uso de Simulink y los microcontroladores Arduino. Se han diseñado y construido un conjunto de circuitos programables con un micro controlador (Arduino Mega) y se ha evaluado su rendimiento y la facilidad del uso de Simulink con las librerías de soporte de Arduino para el uso de estudiantes de ingeniería. 1. Introducción El presente documento indica la implementación del módulo diseñado e implementado para la realización de un proyecto de control automático, mediante la implementación de sistemas de control; uno de posición y otro de temperatura, controlados por un Arduino Mega y programable mediante software de simulación MATLAB. La operación de cada proceso es independiente por medio de interruptores programados mediante matlab. Sin embargo, recientemente ciertas herramientas reconocidas en el ámbito académico, como MATLAB y Simulink, usadas en el diseño y simulación de sistemas de control automático, se han visto potenciadas por la incorporación de capacidades para programar de forma transparente las plataformas de desarrollo hardware de bajo coste más popular, como son los sistemas Arduino. El aprendizaje basado en un proyecto es un método de enseñanza que implica a los estudiantes en la resolución de problemas de ingeniería reales.

Para que sea eficaz, el alumno debe identificar un problema de una extensión adecuada y con una dificultad suficiente para estimular el proceso de aprendizaje. Si además, el proyecto está apoyado con equipos físicos, frente a los modelos de simulación, se reduce el trabajo a un modelo simplificado, a la vez que aumenta su motivación. Desafortunadamente, muchos sistemas de desarrollo hardware son complejos y distraen al alumno con la resolución de problemas hardware de bajo nivel que no suelen estar relacionados con el objeto de estudio. La solución ideal para el alumno es disponer de una herramienta de alto nivel para el diseño de sistemas de control automático, para simulación y modelado del modelo matemático ideal. El objetivo de este trabajo es presentar la experiencia de la creación de un equipo de práctica de control automático de bajo coste programable con la herramienta MATLAB/Simulink en asignaturas de control automático. 2. Implementación del sistema SAD El proyecto se ha diseñado en base a conceptos físicos fundamentados con los respectivos modelos de control automático determinado con los siguientes requerimientos:  Coste reducido y de fácil fabricación mediante empleo de componentes comunes.  De un tamaño necesario requerido.  Simple y fácil de programar.

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2.1

Autónomo y que permita el empleo de sistemas inalámbricos de control Sistemas de posición y encendido de resistencias mediante empleo de control Utilización de sensores programables de movimiento y temperatura.

paquetes de Arduino que se encuentra On-line en varias versiones.

Diseño mecánico

El proyecto consta de dos recipientes el primero de un volumen mucho mayor al segundo con volúmenes relativos de 0.00001 metros cúbicos y el otro de 0.000003 metros cúbicos y con posiciones relativas de 60cm a 17 cm. Se pretende controlar el flujo de agua en una electroválvula que trabaja a 110 V, mediante un sensor de movimiento en el tanque de volumen inferior, transcurrido una posición del agua se cierra la electroválvula y se enciende una resistencia que elevara la temperatura del agua hasta una temperatura determinada, la cual se apagara cuando el sensor de temperatura lo determine mediante la programación. También existe el empleo de sensores de movimiento y de temperatura, como empleo de una resistencia para elevar la temperatura del agua, respectiva programación y programas de simulación y programación matlab/Simulink. En la parte exterior del proyecto se encuentra la parte de electrónica de potencia y en la parte interior se ubican el microcontroladores y los sensores de temperatura y posición. Asimismo, posee un segundo nivel sobre el que se podrá colocar un ordenador portátil. Los diseños se han realizado mediante el software de diseño y simulación Simulink de matlab en combinación con

Fig1. Elementos del Proyecto 2.1.1

Módulos de sensores.

Sensor LM35 La serie LM35 es la precisión de la temperatura del circuito integrado Sensores, cuya tensión de salida es linealmente proporcional al Temperatura Celsius (centígrados). El LM35 tiene así una Sobre los sensores de temperatura lineales calibrados en ˚Kelvin, ya que el no está obligado a restar un gran Constante de su salida para obtener un conveniente grado de escalada El LM35 no requiere Calibración o recorte para proporcionar precisiones típicas de ± 1/4˚C A temperatura ambiente y ± 3/4 ˚C durante un tiempo completo de -55 a + 150 ˚C rango de temperatura. El bajo costo se asegura recortando y Calibración a nivel de la oblea. La baja impedancia de salida del

LM35, Salida lineal y calibración inherente precisa La interconexión a la lectura o los circuitos de control son especialmente fáciles. Eso Puede utilizarse con una sola fuente de alimentación, o con Menos los suministros. Dado que sólo extrae 60 μA de su suministro, Muy bajo de auto calentamiento, menos de 0,1 ° C en aire estancado. El LM35 es Clasificado para operar sobre un rango de temperatura de -55˚ a + 150˚C, Mientras que el LM35C está clasificado para un rango de -40˚ a + 110˚C (-10˚ Con mayor precisión). La serie LM35 está disponible en embalaje En paquetes herméticos de transistores TO-46, mientras LM35C, LM35CA y LM35D también están disponibles en Paquete plástico del transistor TO-92. El LM35D también está disponible.

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Dimensiones del circuito: 43 x 20 x 17 mm Tensión de alimentación: 5 Vcc Frecuencia de trabajo: 40 KHz Rango máximo: 4.5 m Rango mínimo: 1.7 cm Duración mínima del pulso de disparo (nivel TTL): 10 μS. Duración del pulso eco de salida (nivel TTL): 100-25000 μS. Tiempo mínimo de espera entre una medida y el inicio de otra 20 mS.

Fig3. Sensor de Ultrasonido 2.2

Fig2. Sensor de temperatura LM35 Sensor de ultrasonido El HC-SR04 es un sensor de distancias por ultrasonidos capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 2 a 450 cm. El sensor funciona por ultrasonidos y contiene toda la electrónica encargada de hacer la medición. Su uso es tan sencillo como enviar el pulso de arranque y medir la anchura del pulso de retorno. De muy pequeño tamaño, el HC-SR04 se destaca por su bajo consumo, gran precisión y bajo precio. Características:

Electrónica de potencia

Se ha incorporado una alimentación de 110V para el sistema de las electroválvulas , la resistencia y 5V para el controlador Arduino Mega que proporcionan energía tanto a la parte de electrónica de potencia como al microcontrolador, que reduce la tensión a 5V mediante un regulador propio. 2.2.2 Arduino mega El Arduino Mega es un tablero de microcontroladores basado en el ATmega1280 (hoja de datos). Tiene 54 pines de entrada / salida digitales (de los cuales 14 se pueden utilizar como salidas PWM), 16 entradas analógicas, El Arduino Mega puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de alimentación externa. La

fuente de alimentación se selecciona automáticamente. El Arduino Mega es una placa microcontrolador basada en el ATmega1280 (hoja de datos). Cuenta con 54 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 14 se pueden utilizar como salidas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UART (puertos serie de hardware), un oscilador de cristal de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, Y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para soportar el microcontrolador; Simplemente conéctelo a un ordenador con un cable USB o conéctelo con un adaptador de CA a CC o batería para empezar.

Fig4. Arduino Mega

2.3 Software El soporte de Arduino en MATLAB incluye una biblioteca de bloques específicos que se encargan de gestionar las entradas/salidas. Internamente están programados en Simulink y hacen la función de los sensores del hardware externo se activen con paso de la señal. El resto de las funciones se implementan mediante los bloques estándar de Simulink. El conjunto de bloques proporciona a: entradas/salidas digitales, entradas analógicas, salidas PWM, comunicaciones serie y entradas/salidas de pulsos para servos RC. 3. Practica En la realización del proyecto se han diseñado una serie de bloques que van desde el control de posición a al control de encendido de la resistencia para obtener una temperatura optima del agua en el sistema de control del proyecto. Esta práctica se ha planteado como las diversas etapas del desarrollo de un único proyecto que pretende obtener un modelo óptimo entre posición y encendido.

2.2.3 Comunicaciones inalámbricas El microcontrolador cuenta con cuatro puertos serie, de los cuales uno es utilizado por Simulink para la carga de programas y la ejecución en modo externo. La ejecución en modo externo permite ejecutar el modelo de simulación simultáneamente en el hardware externo y en el computador para hacer la simulación (ejecución) interactiva, mostrando valores y graficas de evolución de las variables, y también para modificar valores de parámetros del modelo, lo que permite depuración y ajuste de controladores durante el funcionamiento del sistema.

Fig5. Circuito eléctrico Del Proyecto 3.1. Introduction à la programmation de arduino mediante Simulink Vamos a crear simples archivos de MATLAB para hablar con nuestra placa Arduino. Los paquetes de soporte

MATLAB para hardware Arduino le permiten usar MATLAB para comunicarse con su placa a través del cable USB.

Para nuestra señal de entrada hemos elegido como variable la temperatura que está representada por medio de un sensor LM 35 (sensor de temperatura) y la salida es la respuesta del mismo en mili voltios.

Se busca información sobre los aspectos relacionados con el uso y la configuración de la herramienta de desarrollo. Se implementa una estrategia básica de control proporcional y se ejecutan en modo remoto y externo para observar los valores de las variables del sistema y modificar los parámetros del controlador.

5.1. Función de transferencia en base a los datos extraídos del proyecto.

4. Control de temperatura. El tratamiento térmico comprende el calentamiento del metal de la resistencia hasta la temperatura elegida, el mantenimiento de esta temperatura durante un determinado tiempo y el enfriamiento siguiendo el régimen determinado, el número de variantes posibles pude ser construido por el régimen de ciclos y de la misma manera para la repentina interfaz de enfriamiento.

Fig6.

Modelo del proyecto

Ensamblaje

de

5. Introducción a la implementación de la función de transferencia. La función de transferencia no es más que un modelo matemático que a través de un cociente relaciona la respuesta de un sistema (modelada) con una señal de entrada o excitación (también modelada).

Usando un modelo básico de función de transferencia que nos ofrece el programa de simulación de Matlab, procedemos a extraer los datos por medio del Work space y creamos los respectivos vectores que en si serán nuestras variables tanto de entradas como de salida.

Fig7. Funcion de transferencia

Fig8. Identificación de sistema 6. Modelo matemático un modelo matemático es uno de los tipos de modelos científicos que emplea algún tipo de formulismo matemático para expresar relaciones, proposiciones sustantivas de hechos, variables, parámetros, entidades y relaciones entre variables de las operaciones, para estudiar comportamientos de sistemas complejos

ante situaciones difíciles de observar en la realidad. El tipo de modelo que hemos usado en este proyecto es el de simulación o descriptivo, de situaciones medibles de manera precisa o aleatoria, por ejemplo con aspectos de programación lineal cuando es de manera precisa, y probabilística o heurística cuando es aleatorio. Este tipo de modelos pretende predecir qué sucede en una situación concreta dada. Recomendaciones  Para este tipo de proyecto lo que recomendamos es revisar la configuración del arduino que sea compatible con el programa a usar en este caso Matlab  Se recomienda preferiblemente usar arduino mega  Manipular con mucho cuidado el sensor de temperatura LM 35 ya que es muy sensible Conclusiones  Para que la función de transferencia sea aceptable debe pasar de un valor de 80%  Para que un proceso sea lo más cercano al modelo real se debe sacar el mayor número de datos reales y útiles posibles. 7. Graficas de datos obtenidos con Matlab. A continuación de detallas cada una de las gráficas que se han obtenido según los datos de estimación y datos de validación dentro de nuestro proyecto, según la función de transferencia y tomando los mejores picos dependiendo de los datos obtenidos de ah obtenido los datos y cada una de las respectivas gráficas.

Fig9. Grafica de la orientación de los polos y ceros de la función.

Fig10. Grafica de compotamiento de la funcion Fig11. Modelo Output

Fig12. Funcion de Frecuencia

Fig13. Señales De entrada y de salida

El algoritmo del control PID consiste de tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional depende del error actual. El Integral depende de los errores pasados y el Derivativo es una predicción de los errores futuros. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso por medio de un elemento de control como la posición de una válvula de control o la potencia suministrada a un calentador.

Fig15. Bloques de Función PID A continuación se detalla básicamente la gráfica de la función de transferencia con el efecto del bloque PID.

Fig14. Periodograma de la función 8. PID Un controlador PID es un mecanismo de control por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial. Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado.

Fig16. Grafica obtenida a través del bloque PID. La grafica obtenida tiene un tiempo de retardo de 1 y una caída de -42, y se estabiliza básicamente en 62.