Final Control

IMPLEMENTACION DE UN CONTROLADOR PID CON ARDUINO 1. OBJETIVOS 

OBJETIVO GENERAL  Controlar la temperatura de trabajo u operación de un transformador sobrecargado.



OBJETIVOS SECUNDARIOS  Implementar un control PID usando la placa Arduino,  Conocer el funcionamiento de un control PID.

2. CONCEPTO DE PID Un controlador PID es un mecanismo de control ampliamente usado en sistemas de control industrial. Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado. El 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.

2.1.

Control Proporcional

La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional para lograr que el error en estado estacionario se aproxime a cero, pero en la mayoría de los casos, estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenómeno se llama sobre oscilación y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobre oscilación. Hay una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad de desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa. La fórmula del proporcional está dada por: Psal= Kp*e(t)

2.2. Control Integral El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo

proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo sumarlo por un período determinado; Luego es multiplicado por una constante Ki. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario. El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable con respecto al punto de consigna) de la banda proporcional.

2.3. Control Derivativo La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral). El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set Point". La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el error se incremente.

Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante Kd y luego se suma a las señales anteriores (P+I). Es importante adaptar la respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede responder acordemente.

3. IMPLEMENTACION DE PID CON ARDUINO 3.1. Materiales a usar        

Placa arduino Uno Ventiladores de 12 VDC Resistencias 1k Diodos 2N22 Transistores Sensor de Temperatura LM35 Protoboard Cables para protoboard

3.2. SOFTWARE UTILIZADOS  Matlab  Labview  Arduino  Excel



Word

3.3. Descripción de Materiales 3.3.1. Placa Arduino una plataforma de hardware y software de código abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analógicas y digitales, en un entorno de desarrollo que está basado en el lenguaje de programación Processing. Es decir, una plataforma de código abierto para prototipos electrónicos.



Conector de Alimentación esta la utilizamos para alimentar la placa de arduino, cuando no está conectada a un puerto USB acepta de 7 a 12 V.



Puerto USB utilizado para alimentar y cargar programas al arduino y para la comunicación con el programa arduino (mediante la instrucción serial.println).



Boton Reset puesta a cero el micro controlador ATmega.



Led TX Y RX estos led indican cuando se hace un comunicación entre arduino y el ordenador, parpadean rápidamente cuando se carga el programa así como en la comunicación serie.



PIns Digitales se usan con la instrucción digitalRead(), digitalWrite(), la instrucción analogwrite() solo trabaja con el símbolo PWM.



Pines GND Y 5V se usan estos pines para proporcionar una tensión de +5v y masa para circuitos externos a la placa.



Entrada análogas analogRead().



Pin 13 LED el único componente que actua como dispositivo de salida incorporado a su arduino.



Microcontrolador ATMEGA es el corazón del la placa arduino UNO.



Led de Encendido indica que la placa esta siendo alimentada.

se

utilizan

con

la

instrucción

3.3.2. Sensor de Temperatura LM35 El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 ºC. Su rango de medición abarca desde

-55 °C hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado Celsius equivale a 10 mV, por lo tanto:   

150 ºC = 1500 mV -55 ºC = -550 mV1 Opera de 4v a 30v.

4. TRANSISTOR 2N2222

CARGAS MOTOR DE 9 DC  RPM 480 RPM  Corriente en vacio 0.025  Corriente maxima Rendimiento 0.10 A  Corriente de Bloqueo 0.42 A  Par de bloqueo 70 g*CM MOTOR DE 9 AC  RPM 80 RPM  Corriente en vacio 0.055  Corriente maxima Rendimiento 0.15 A  Corriente de Bloqueo 0.45 A  Par de bloqueo 70 g*CM DOS VENTILADOR     

Dimensiones:80 x 80 x 25 mm Voltaje:12 V Velocidad del ventilador:1000 ~ 3500 R.P.M. Flujo de aire: 49 CFM Nivel de ruido:19 ~ 29 dB(A)

 Tiempo de vida:30.000 h

TRANSFORMADOR      

Dimensiones 29 x 23 x 11 mm Tensión primaria: 220 v Tensión secundaria: 9v Potencia nominal: 50 va Relación de transformación: 24.4 Intensidad nominal del secundario: 1.25A

.

5. CIRCUITO PID

PARTE DE CONTROL  

Está formada por la placa arduino. Sensor LM35

Parte Actuadora 

Ventilador de 12 VDC

Sistema 

Transformador y carga.

IMPLEMENTACION DE PARTE ACTUADORA 

Para trabajar con el arduino sabemos que el arduino solo tiene de 0-5 Vdc, por tal motivo tenemos que manejar el voltaje de ingreso al ventilador con un PWM.

Ventilado r

PRUEBA EN ARDUINO PARA VERFICAR EL FUNCIONAMIENRO DEL PWM

Aquí podemos ver el funcionamiento del PWM el cual varia de 0-255

CONEXIÓN DEL SENSOR LM35 HACIA ARDUINO

Como podemos observar solo alimentamos el Lm35 que son las patas 1 y 3 y la pata 2 va al arduino

TIEMPO DE MUESTREO Tiempo en el cual se realiza una instrucción.

TIEMPO DE MUESTREO

Comando para tiempo de muestreo 

Ahora = millis();

contador en milisegundos

CALIBRACION DEL LM35  Nos ayudamos del software Excel para la obtención de ecuación. temperat ura 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

mili voltios 269 271 278 279 280 294 303 314 322 328 334 360 369 382 399

6. CALCULANDO LA FUNCION DE TRANSFERENCIA DE NUESTRO SISTEMA 

Nos ayudamos con el programa Labview.



TOMA DE DATOS 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

17.55 17.64 18.13 17.64 18.13 17.64 18.13 17.64 17.64 17.64 18.13 18.13 18.13 18.62 18.62 18.62 18.62 18.62 19.11 19.11 19.6 19.11 20.09 20.09 18.62 19.6 19.6 19.6 20.09 20.09 20.09 19.6 20.09 20.58 19.6 20.58 20.09 20.58 20.09 20.09

5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

20.09 21.07 20.58 20.58 20.09 20.58 20.58 20.09 21.07 21.07 21.56 21.07 21.07 20.09 20.58 20.58 20.58 21.07 21.56 21.56 21.07 21.07 21.07 21.56 21.07 21.07 21.56 21.56 22.05 21.07 21.07 21.56 21.56 21.56 21.07 21.56 22.05 22.54 21.07 22.05

5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

21.56 22.05 22.05 21.56 21.56 21.56 21.56 21.56 22.54 21.07 21.07 21.56 21.56 21.56 22.05 22.05 21.07 22.05 21.56 22.05 22.05 22.05 22.05 21.56 21.56 21.56 22.05 22.05 22.05 22.05 22.05 22.05 21.56 22.05 22.05 22.05 21.56 22.05 22.54 21.56

5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

21.56 22.05 22.05 22.54 22.54 22.54 22.54 22.05 21.56 22.05 22.54 22.54 22.05 22.54 22.05 22.54 22.05 22.05 23.03 22.54 22.54 22.54 22.54 22.54 21.56 22.54 22.05 22.05 22.05 22.05 22.54 22.54 22.54 22.54 22.54 22.54 22.54 22.54 23.52 23.03 22.54 22.54 22.54

5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

22.54 22.54 22.54 22.54 22.54



Importamos datos.

7. IMPLEMENTADO SOFTWARE EN ARDUINO

8. CONCLUSIONES  Se cumplieron con los objetivos establecidos.  Los controladores PID se usan ampliamente industrial.

en

control

 Desde una perspectiva moderna, un controlador PID es simplemente un controlador de segundo orden con integración. Históricamente, sin embargo, los controladores PID se ajustaban en términos de sus componentes P, I y D.  La estructura PID ha mostrado empíricamente ofrecer suficiente flexibilidad para dar excelentes resultados en muchas aplicaciones.  El término básico en el controlador PID es el proporcional P, que origina una actuación de control correctiva proporcional el error.  El término integral I brinda una corrección proporcional a la integral del error. Esta acción tiene la ventaja de asegurar que en última instancia se aplicará suficiente acción de control para reducir el error de regulación a cero. Sin embargo, la acción integral también tiene un efecto desestabilizador debido al corrimiento de fase agregado.  El término derivativo D da propiedades predictivas a la actuación, generando una acción de control proporcional a la velocidad de cambio del error. Tiende dar más estabilidad al sistema, pero suele generar grandes valores en la señal de control.  Varios métodos empíricos pueden usarse para determinar los parámetros de un PID para una dada aplicación. Sin embargo, el ajuste obtenido debe tomarse como un primer paso en el proceso de diseño.  Debe prestarse atención al particular tipo de estructura de PID disponible (por ejemplo, estándar, serie o paralelo)

ANEXOS