plataforma para control de la planta bola y...

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.


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


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


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.


Figura 1. Diagrama de bloques del sistema

Fuente: Elaboración propia


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].


Figura 2. Diagrama de bloques


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


Figura 3. Planta bola y viga entregada


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].


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)


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)


Figura 7. Viga inferior (linealizada)


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)


Figura 8. Circuito puente de wheatstone


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




1,343 +4,362x =y (1)



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)


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°.


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


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


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


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


Figura 14. Muestreo de datos en la viga inferior en hyperterminal


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.


Figura 15. Muestreo de datos en la viga superior en hyperterminal


Figura 16. Muestreo de datos en la viga superior en hyperterminal


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


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



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.


Figura 18. Interfaz gráfica en LabVIEW


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


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


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.

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