Control de posición de una bola mediante Arduino para el análisis de controladores PID

Abstract

Resumen: este proyecto expone el control de posición de una bola a través de la programación en Arduino, para el análisis de diferentes configuraciones del controlador PID. El caso práctico desarrollado consiste en un sistema barra y bola, el cual es un sistema no lineal e inestable. Se han implementado diferentes configuraciones del controlador PID para observar su funcionamiento y obtener conclusiones acerca de ellos. El objetivo principal de este proyecto es el de utilizar un microcontrolador para el control de una maqueta de control de posición de una bola, con el objetivo de poder acercar a los alumnos que no conocen la teoría de control o que se adentran por primera vez en este mundillo de la regulación como se puede controlar un sistema de manera real. En este caso, se va a utilizar la maqueta como método de docencia. Para ello, se ha realizado todo el control del sistema en la programación de Arduino consiguiendo un control aceptable de la maqueta, puesto que el error de posición de la bola es mínimo. Con lo cual, para que un alumno que no conozca la teoría de control pueda entender cómo funciona un controlador PID, se ha implementado una interfaz de usuario en el sistema, la cual utiliza un panel de control diseñado para conseguir una comunicación interactiva entre usuario y control de la maqueta, para así poder modificar cada una de las acciones de los controladores PID implementados y ver qué sucede en el control. Hay que decir que para la consecución del proyecto, uno de los objetivos era obtener los distintos parámetros de los controladores implementados en la programación, a través de la realización de una simulación del sistema por medio de Matlab, en la cual no se tuvo éxito, debido a las aproximaciones y linealizaciones realizadas a la hora de obtener el modelo de la planta. Por ello, las constantes utilizadas en los distintos controladores implementados en el sistema se obtuvieron mediante el método de ajuste por ensayo-error logrando buenos resultados. En general se puede decir que se han cumplido todos los objetivos impuestos al inicio, y que se han adquirido diferentes conocimientos acerca de diferentes materias que antes se desconocían. De todo el proceso de estudio y diseño, se presentan varias conclusiones y se proponen algunas líneas de mejora, como pueda ser realizar una interfaz de usuario gráfica que proporcione el comportamiento del sistema en tiempo real.

Laburpena: proiektu honek bola bateko posizioaren kontrola azaltzen du, Arduinoaren programazioaren bidez kontrolatzaile desberdin analizatzeko. Garatutako kasu praktikoa barra eta pilota sistema bat da, sistema hau sistema ez lineal eta ezegonkorra da. PID-a kontrolatzailearen konfigurazio desberdinak inplementatu dira bere funtzionamendua ikusteko eta ondorioak haiei buruz lortu ahal izateko. Proiektu honen helburu nagusia, mikrokontrolatzaile bat ondo erabiltzea da maketa baten kontrola kontrolatzeko, honekin kontrolaren teoria ezagutzen ez duten edo lehen aldiz sartzen diren ikasleei hurbiltzeko. Kasu honetan, maketa irakaskuntza metodo gisa erabiliko da. Horretarako, sistemaren kontrol guztia Arduino programazioan burutu da, maketaren kontrol onargarria lortuz, zeren eta, pilotaren posizio errorea oso txikia baita. Honen bidez, kontrol-teoria ezagutzen ez duen ikasle batek PID kontroladorea nola funtzionatzen duen ulertu ahal izango du, horretarako erabiltzaile-interfazea inplementatu da sisteman, erabiltzailearen eta maketa kontrolaren arteko komunikazio interaktiboa lortzeko aginte-panel bat diseinatu da, horrekin kontrolatzaileen akzioetako bakoitza aldatu ahal izateko esta zer gertatzen den kontrolean ikusteko. Proiektuaren lorpenerako esan behar da, helburuetako bat programan ezarritako kontrolagailuen parametroak lortzea izan zen, Matlab-en bidez sistemaren simulazio bat eginez, arrakasta gabe, sistema fisikoaren modeloa lortu ahal izateko egindako hurbilketak eta linealtasunak direla eta. Hori dela eta, sisteman ezarritako kontrolagailu desberdinetan erabiltzen diren konstanteak akats-doikuntza metodoaren bidez lortu ziren, emaitza onak lortuz. Oro har, hasieran ezarritako helburu guztiak bete direla esan daiteke, eta lehenago ezezagunak ziren hainbat gairi buruzko ezagutzak eskuratu direla esan daiteke. Azterketa eta diseinu prozesu osoari esker, hainbat ondorio aurkezten dira eta hobekuntza bide batzuk proposatzen dira, esate baterako, erabiltzaile-interfaze grafiko bat sisteman inplementatzea, sistemaren portaera denbora errealean ikusi ahal izateko.

Abstract: this project exposes the control of position of a ball through the programming in Arduino, for the analysis of different configurations of the PID controller. The practical case developed consists of a bar and ball system, which is a non-linear and unstable system. Different configurations of the PID controller have been implemented to observe its operation and draw conclusions about them. The main objective of this project is to use a microcontroller to control a model of ball position control, with the aim of bringing students who do not know control theory understand how to control a system in a way real. In this case, the model will be used as a teaching method. For this, all the control of the system has been carried out in the Arduino programming, obtaining an acceptable control of the model, since the position error of the ball is minimal. To achieve the aforementioned objective, a user interface has been implemented in the system, which uses a control panel designed to achieve an interactive communication between user and control of the model, in order to modify each of the actions of the controllers PID implemented and see what happens in the control, and so the user can draw conclusions from each of the parameters of the different implemented PIDs. It must be said that for the achievement of the project, one of the objectives was to obtain the different parameters of the controllers implemented in the programming, through the realization of a simulation of the system by means of Matlab, in which there was no success, due to the approximations and linearizations made when obtaining the model of the plant. For this reason, the constants used in the different controllers implemented in the system were obtained by the trial-error adjustment method, achieving good results. In general, it can be said that all the objectives imposed at the beginning have been met, and that different knowledge about different subjects that were previously unknown was acquired. Due to the study and design process, several conclusions are presented and some lines of improvement are proposed, such as implementing a graphical user interface that provides the behavior of the system in real time.