Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
PLATAFORMA PARA CONTROL DE LA PLANTA BOLA Y
VIGA QUANSER DEL LABORATORIO DE ELECTRONICA DE LA FACULTAD TENCOLOGICA
PLATFORM FOR CONTROL OF THE BALL PLANT AND
BEAM QUANSER OF THE ELECTRONICS LABORATORY OF THE TENOLOGICAL FACULTY
Julian Camilo Bejarano Rojas, Daney Felipe Miranda Miranda
Resumen: Este artículo presenta el diseño e implementación prototipo de
plataforma para control de la planta Bola y Viga Quanser del laboratorio de
electrónica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de
caldas, el cual reemplazará la plataforma obsoleta que cuenta actualmente,
teniendo así, la capacidad de brindar practicas sencillas de control. El sistema de
control consta de una tarjeta de adquisición, realizada en la plataforma PSOC,
además de ello una reparación mecánica de la máquina, ya que se encontraba sin
ciertas partes y por ultimo un diseño de la interfaz gráfica a través de la plataforma
LabVIEW. En los principales resultados, se evidencia el funcionamiento correcto del
prototipo, además que el adecuo de la tarjeta de adquisición, y de la plataforma para
funcionar como lo esperado, de igual forma la caracterización de la máquina para
realizar el respectivo manual, es la adecuada para la guía del usuario.
Palabras clave: Bola y viga, control, interfaz gráfica, tarjeta de adquisición.
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Abstract: This article presents the prototype design and implementation of a
platform for control of the Ball and Beam Quanser plant of the electronics laboratory
of the Technological Faculty of the Francisco José de Caldas District University,
which will replace the obsolete platform that currently has, thus having the ability to
provide simple control practices. With respect The control system consists of an
acquisition card, made on the PSOC platform, in addition to a mechanical repair of
the machine, since it was without certain parts and finally a graphic interface design
through the platform LabVIEW In the main results, the correct functioning of the
prototype is evidenced, in addition to the adequacy of the acquisition card, and of
the platform to function as expected, in the same way the characterization of the
machine to perform the respective manual is adequate for The user guide
Key words: Ball and beam, control, graphic interface, acquisition card
1. Introducción
Actualmente, el sistema de control de posición del bola y viga del laboratorio de
electrónica de la Universidad Distrital Facultad Tecnológica cuenta con sistema de
adquisición y control que no permite la operatividad por parte del usuario, y dicho
sistema esta descontinuado. El sistema de control de posición del bola y viga se
estudia típicamente en asignaturas relacionadas al área de control electrónico, ya
que, en dicho sistema se pueden analizar los efectos físicos que produce el cambio
de posición sobre un cuerpo. En otras palabras, permite explicar fenómenos de
sistemas que trabajen en la región lineal o no lineal. Esto se debe a que la posición
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
de la bola tiende a infinito cuando el sistema no tiene control, lo cual no le permite
encontrar una posición dentro de la viga y el ángulo varia indefinidamente, sin que
importe la señal de entrada. Para la realización del sistema nos basamos en 3 fases
del proyecto, las cuales consistían en acondicionamiento mecánico, implementación
de un sistema embebido con comunicación inalámbrica entre máquina-dispositivo y
por ultimo un acople de la plataforma virtual a la máquina. En la primera fase
realizamos los ajustes pertinentes para el correcto funcionamiento de prototipo,
como lo fue la adquisición de un nuevo servomotor (S3003) para su posterior
control, realización de su respectiva base y ajuste de las vigas. Para la fase dos,
usamos la ayuda de la tarjeta de adquisición de datos, la cual va con una
comunicación inalámbrica o alámbrica al dispositivo (en este caso bluetooth) y
ciertas protecciones a dicha tarjeta. Y, por último, en la fase tres desarrollamos una
interfaz capaz de controlar y acoplar todo el prototipo de la máquina, desarrollando
así la posibilidad de que el usuario pueda hacer un buen uso de la planta. Una vez
culminado todas las fases, se procedió a determinar la funcionalidad del prototipo
[1].
2. Descripción de la alternativa de solución
Este proyecto proporciona al sistema de bola y viga, una interfaz de comunicación
con un computador vía bluethooth, mediante el desarrollo de una aplicación en un
ambiente gráfico donde se puedan realizar; lecturas de variables, gestión e
intervención y una visualización de forma remota. Además, se pretende diseñar un
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
manual el cual muestre la metodología para el desarrollo de prácticas de control.
Finalmente, realizar una reparación integral del sistema de bola y viga de la
Universidad Distrital Facultad Tecnológica.
3. Materiales y Métodos
La metodología implementada para el desarrollo del trabajo propuesto se describe
en el diagrama de bloques de la Figura 1, donde se observa la estructuración
planteada para la construcción del sistema.
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 1. Diagrama de bloques del sistema
Fuente: Elaboración propia
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
3.1. Diseño y reparación de la planta bola y viga
Para la reparación del sistema de bola y viga mara QUANSER, se utilizaron distintos
componentes que se acoplaban a las nuevas tecnologías, ya que el anterior
prototipo tenía un par de años de atraso en cuanto a sistema y visualización del
mismo, por tanto, para dicha planta se diseñó una tarjeta de adquisición de datos,
en comunión con los sensores resistivos y el servomotor, ayudaran al
funcionamiento adecuado del bola y viga marca QUANSER (Figura 2).
Inicialmente, el sistema de bola y viga venía con dos sensores resistivos (los cuales
serán descritos con más detenimiento en el documento), siendo aprovechados para
la completa comunicación y control de la planta en sí. El servomotor, por el contrario,
no se encontrada acoplado, así que se procedió a realizar dicha adecuación para
su posterior funcionamiento (Figura 3).
Una interfaz gráfica será acoplada al bola y viga, al cual se comunicará y enviará
información vía bluetooth, tanto de control como de visualización, por tanto, se
ajustará a las necesidades del usuario final [2].
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 2. Diagrama de bloques
Fuente: Elaboración propia
A
K
C
E
B
1
2 4
5
6
U1
4N26
R1
R2
1
2
3
SERVOMOTOR
CONN-SIL3
R3R4
C1
1
2
3
VIGAS
CONN-SIL3
TA
RJE
TA
DE
AD
QU
ISC
ION
PWM
POWER1
POWER2
ADC
BLUETOOTH
MODULO HC-05
GROUND
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 3. Planta bola y viga entregada
Fuente: Elaboración propia
Sensores resistivos
Inicialmente se procedió a configurar los sensores con un circuito puente de
wheatstone con resistencias, los cuales se utilizaron para linealizar y posteriormente
llevarlos a un conversor análogo-digital (ADC), lo cual serviría para la interpretación
de dichos datos en la tarjeta. El funcionamiento de dichos sensores es básicamente
como el de un potenciómetro resistivo lineal, con variaciones en Kilohmios y en
ohmios, el circuito se cierra usando una bola de un material conductor, las vigas
tienen una medida de 0.41 m, dicha medida se tendrá en cuenta para el uso del
servomotor, pues el control de este actuador será por medio de distancia [3].
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 4. Viga superior
Fuente: https://www.quanser.com/products/ball-and-beam/
Figura 5. Viga inferior
Fuente: https://www.quanser.com/products/ball-and-beam/
Figura 6. Viga inferior (sin linealizar)
Fuente: Elaboración propia
0,98
1
1,02
1,04
1,06
1,08
1,1
1,12
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
Vo
ltaj
e(V
)
Distancia (m)
Viga inferior (sin linealizar) voltaje (v)
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 7. Viga inferior (linealizada)
Fuente: Elaboración propia
En la figura 6 y en la figura 7, podremos observar los datos arrojados en voltaje vs
distancia, en la cual se evidencia (Figura 6) la incongruencia de datos, pues al
ingresar dichos datos a la tarjeta de adquisición se interpretarán de tal forma que
sería imposible tratarlos e interpretarlos para su posterior análisis. Gracias a este
problema, se hizo importante realizar la linealizacion de dichos sensores, para que
la tarjeta de adquisición de datos logre realizar su respectiva lectura y tratamiento
de los mismos, de igual forma dando a conocer sus respectivas ecuaciones, siendo
𝑥 el valor de entrada y 𝑦 el valor de salida linealizado.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
Vo
ltaj
e (V
)
Distancia (m)
Viga superior (sin linealizar) voltaje (v)
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 8. Circuito puente de wheatstone
Fuente: Elaboración propia
El circuito a usar fue un puente de wheatstone (Figura 8) el cual es necesario para
realizar equilibrio de resistencias y encontrar alguna de ellas por medio de los
brazos del puente, está constituido por 2 resistencias y 1 condensador, y 1
resistencia variable, en nuestro caso, los sensores resistivos. Se utilizó dicho circuito
porque era necesario medir un voltaje proporcional a la variación de alguna medida,
en el caso particular del bola y viga, distancia, que es determinada por el paso de la
bola de acero.
R3R4
C1
1
2
3
VIGAS
CONN-SIL3
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 9. Circuito puente de wheatstone
Fuente: Elaboración propia
1,343 +4,362x =y (1)
Figura 10. Circuito puente de wheatstone
Fuente: Elaboración propia
1,448 +4,201x =y (2)
y = 4,3625x + 1,3433
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
Vo
ltaj
e (V
)
Distancia (m)
Viga inferior (linealizada) Voltaje (V)
y = 4,2015x + 1,4481
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
Vo
ltaj
e (V
)
Distancia (m)
Viga superior (linealizada) Voltaje (V)
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
En ambas vigas se realizó el circuito anteriormente mencionado, para poder ejecutar
el censo de la señal de los sensores y desarrollar su respectiva conversión análoga-
digital con su respectiva ecuación (1) y (2). Los datos después de realizar la
linealizacion (Figura 9 y Figura 10) son bastante dicientes, pues se denota la
estabilidad del sistema con respecto a las vigas sin dicho circuito, además de la
opción de ingreso a un ADC, en este caso, a la tarjeta de adquisición de datos.
Servomotor (S3003)
Posteriormente se procedió a realizar las respectivas conexiones del servomotor a
la tarjeta de adquisición de datos, para realizar el proceso de movimiento de la viga
superior, dicho motor se eligió ya que en sus especificaciones técnicas se adecua
a las necesidades que nos presentaba el proyecto, además de ser bastante versátil
y funcional debido a su diseño, de igual forma se adaptó un circuito que evitara
sobre tensiones y funcionara como protección del microcontrolador para que no
sobrepase el límite de funcionamiento de 5V. El servomotor (S3003) tiene una
capacidad de soportar 4,1 Kg de con la posibilidad de trabajo de 0° a 180°.
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 11. Servomotor Futaba S3003
Fuente: https://www.es.co.th/schemetic/pdf/et-servo-s3003.pdf
Tarjeta de adquisición de datos
En otro punto, se procede a diseñar una tarjeta de adquisición de datos que fuera
capaz de realizar todas las tareas que se llevarían a cabo para la reparación de la
planta bola y viga, con una implementación adecuada y su posterior visualización
en una interfaz gráfica, las especificaciones de la tarjeta de adquisición de datos
son:
Entradas PWM: contiene 2 entradas PWM, con una resolución de 16 bits
Entradas a Contador: contiene 2 entradas a contador, las cuales pueden
funcionar continuamente hasta apagar dichas entradas
Entradas digitales: 8 entradas digitales con una resolución de 16 bits
Salidas digitales: 8 salidas digitales, con una resolución de 16 bits
DAC: 2 conversores digital-análogos
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Comunicación por bluetooth y serial: comunicación por bluetooth por
medio del módulo HC-05 (figura_) y en serial por medio del puerto de la
tarjeta Psoc 5.
Fuentes de 5V: 3 fuentes que entregan 5V cada una, las cuales sirven
para la alimentación de los sensores o factores externos que el usuario
requiera
Psoc 5: Este microcontrolador tiene las características adecuadas para el
correcto funcionamiento de la planta bola y viga en sí.
La programación de dicha tarjeta se realizó en el software de PSOC Creator, el cual
fue esencial para la elaboración digital de dicha tarjeta y además ayudo a tener en
cuenta los servicios que el bola y viga iba requerir y por tanto cuales crear (figura
diagrama de flujo bola y viga) [4].
Figura 12. Tarjeta de adquisición diseñada
Fuente: Elaboración propia
1
2
3
4
5
6
7
8
ANALOG
CONN-SIL8
1
2
3
4
5
6
7
8
READ I/O
CONN-SIL8
R110k
R210k
R310k
R410k
R510k
R810k
R710k
R610k
RDAC10k
RDAC210k
D7LED-RED
D6LED-RED
D5LED-RED
D4LED-RED
D3LED-RED
D2LED-RED
D1LED-RED
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
ARRIBA
CONN-SIL18
1
2
3
4
5
6
7
8
ABA
CONN-SIL8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
ABAJO
CONN-SIL18
1
2
3
4
5
6
7
8
ABAB
CONN-SIL8
1
2
3
4
5
6
BLUETOOTH
CONN-SIL6
1
2
PWM
TBLOCK-I2
1
2
DAC
TBLOCK-I2
1
2
CONTADOR
TBLOCK-I2
12345678
INOUT2TBLOCK-I8
1
2
3
GROUND
TBLOCK-I3
1
2
3
POWER
TBLOCK-I3
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
En la figura 12 podemos observar la tarjeta de adquisición de datos manejada en el
software Proteus, dicho controlador junto con sus especificaciones es capaz, en el
caso particular del bola y viga, adecuar los sensores, llevar a cabo una conversión
análoga-digital, para que dichos datos puedan ser muestreados y cuantificados,
para luego ser interpretados para el control de la planta bola y viga.
Por medio de la tarjeta, se pudo obtener valores ingresados desde los sensores
hasta la tarjeta, siendo manejados e implementados en el bola y viga con la
necesidad de realizar un correcto manejo de los actuadores correspondientes.
Figura 13. Muestreo de datos en la viga inferior en hyperterminal
Fuente: Elaboracion propia
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 14. Muestreo de datos en la viga inferior en hyperterminal
Fuente: Elaboracion propia
En la Figura 13 y Figura 14, se denota los datos ingresados al ADC de la tarjeta de
adquisicion, en los cuales se denota efectivamente la linealidad de la viga inferior,
haciendo asi posible el manejo y tratamiento de los datos, dicha viga funciona
como un maestro, ya que a partir de los moviemientos de la bola en dicho
elemento, se movera la viga superior, es decir, movera el servomotor hacia el sitio
indicado.
En concordancia la viga inferior sera aquella que enviara los datos de
comparacion con la otra viga teniendo en cuenta el muestreo entregado y la
distancia recorrida, el usuario final solo realizara el contraste entre cadauna de las
vigas en distancia, para el sera irrelevante el muestreo y el voltaje arrojado por
cada una de las vigas.
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 15. Muestreo de datos en la viga superior en hyperterminal
Fuente: Elaboracion propia
Figura 16. Muestreo de datos en la viga superior en hyperterminal
Fuente: Elaboracion propia
En la Figura 15 y Figura 16, se indican los datos ingresados al ADC, mostrando
asi la posibilidad de ser manejados y tratados para el requerimiento que se
necesite, en este caso el manejo de la viga superior de la planta bola y viga. La
viga superior sera catalogada como esclava, pues su funcion dependera de la
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
comparacion de datos con la viga inferior, ademas tambien con la interpretacion
que se realice desde el PC, mas especificamente en la interfaz grafica.
3.2. Interfaz grafica
La interfaz grafica de la planta bola y viga marca QUANSER, fue en su totalidad
diseñada desde cero, teniendo en cuenta las necesidades del usuario, fue realizada
para la comodidad delmismo, siendo sencilla y facil de usar en todo aspecto para
quien se requiera.
Esta interfaz fue realizada en el software LabVIEW, ya que en el existe la posibilidad
de realizar el manejo con la tarjeta de adquiscion desde alli y asi realizar una
completa comunion entre planta-PC, subsanando las necesidades del ususario
final.
Figura 17. Interfaz gráfica en LabVIEW
Fuente: Elaboracion propia
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
En la Figura 17 se logra implementar una interfaz versatil, facil de controlar por el
usuario, en donde se puede realizar la configuracion de los puertos de
comunicación con la tarjeta, ya sea por puerto serial o por puerto bluetooth,
ademas de eso la posibilidad de visualizar el control de la viga inferior, realizando
una comunicación optima entre usario-planta-PC, de igual manera la lectura de los
datos de implementacion que llegan desde cada una de las vigas, asimismo, se
puede denotar el medidor de la parte superior derecha, el cual dictamina los
movimientos que realiza el servomotor y por ultimo, los pulsadores de activacion
de viga inferior y de interfaz.
4. Resultados
Inicialmente, la planta bola y viga tenia ciertos prioblemas de actualizacion en
cuanto a nuevas tecnologoias, pues la planta no tenia ciertas caracteristicas como
su control remoto, realizado por medio del bluetooth de la tarjeta de adquision, de
igualforma elementos faltantes, como el servomotor y las bases delosplanos
circuitales para el funciona,iento de los sensores resistivos o vigas. Ademas de ello,
se demuestra el funcionamiento del control PID con la polanta bola y viga, luego de
ello se realizan varias pruebas con el fin de probar la comunion entre planta-tarjeta-
PC y demostrar asi la total reparacion y actualizacion de dicha planta para su
posterior manejo en el area de control electronico o a quien se requiera, dando asi
el cumplimiento a nuestro primer objetivo.
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Figura 18. Interfaz gráfica en LabVIEW
Fuente: Elaboracion propia
Para la siguiente fase del proyecto, se dio cumpliemiento a cabalidad, ya que se
diseño una platafporma totalmente funcional, teniendo en cuenta las necesidades
que tenia la planta inicialmente, ya que en el presente articulo semostro, la planta
estaba faltante de muchos articulos, que son de necesidad para la reparacion y su
puesta en marcha, en acuerdo con lo anterior dicho, se da cumplimiento total de
nuestro segundo objetivo, haciendo asi una plataforma completa y dispuesta para
el manejo de quien se requiera.
La interfaz grafica diseñada es bastante amigable con el ususario que disponga a
hacer uso de la plataforma, puesto que el diseño de ella fue basado en la realizacion
de practicas sencillas, dando a conocer asi, el objetivo del controlador PID, el cual
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
fue necesario para la puesta en marcha de la planta. Por lo anerior dicho, se cumple
nuestro tercer objetivo, diseñando una interfaz totalmente funcional para el usuario.
Por ultimo, se logra implementar un manual de usuario, dando asi conocer todas las
especificaciones de la planta, asi como su correcto manejo y el paso a paso de
como usar la planta, en concordancia, se cumple con el ultimo objetivo, pues el
manual desarrollado es muy sencillo de implementar, destinado para usuarios que
apenas esten conociendo la planta en su totalidad.
5. Conclusiones
Se logro implementar una plataforma totalmente efectiva para la planta bola
y viga de la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, teniendo asi la
posibilidad para cualquiera que se requiera, la utilizacion de la planta en su
totalidad.
Gracias a todas las pruebas realizadas con todos los elementos que
componen la plana, se efectuo la reparacion mecanica y electronica en su
totalidad, teniendo en cuenta el estado inicial de la planta, dejando asi una
planta en un 80% nueva, con todos sus elementos (sensores, actuadores,
software, etc.) funcionales y listos para ser implementados segun la
necesidad del usuario.
Desarrollamos una capacidad optima para implementar algoritmos que
fueran capaces de resolver problemas con un grado alto de complejidad, la
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
planta bola y viga marca QUANSER fue uno de ellos, ya que la mayoria del
la planta viene adecuada digitalmente, por medio de su controlador principal
(la tarjeta de adquisicion), brindando asi un dispositivo que en general
ayudaria a quien se le requiera con practicas sencillas de control, de manera
autónoma y con completa naturalidad a través de ellas.
13. BIBLIOGRAFÍA
[1] A. Brindha, S. Balamurugan and P. Venkatesh, "Real time experiment to determine transfer function of Quanser servo plant," 2011 INTERNATIONAL CONFERENCE ON RECENT ADVANCEMENTS IN ELECTRICAL, ELECTRONICS AND CONTROL ENGINEERING, Sivakasi, 2011, pp. 253-257. [2] N. S. A. Aziz, R. Adnan and M. Tajjudin, "Design and evaluation of fuzzy PID controller for ball and beam system," 2017 IEEE 8th Control and System Graduate Research Colloquium (ICSGRC), Shah Alam, 2017, pp. 28-32.
[3] K. Lee, S. Oh and H. Choi, "Bounded control of a ball and beam system in the absence of feedback," 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), Jeju, 2017, pp. 1167-1169.
[4] P. D. Ba, S. Lee, S. Back, J. Kim and M. K. Lee, "Balancing and translation control of a ball segway that a human can ride," 2016 16th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), Gyeongju, 2016, pp. 477-480.