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• Nelson David de la Cruz

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZASARMADAS- ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA CARRERA DE ING. EN ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL UNIDAD III INTEGRANTES:  Gabriela Chiluisa  Yaritza Erazo  Juan Pablo Sánchez Z. CURSO: 7mo Electrónica e Instrumentación FECHA: 01 de Marzo del 2017

INFORME PROYECTO FIN DE UNIDAD 1. TEMA: SIMULACIÓN DE UN CONTROL PID AND FUZZY DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR DC UTILIZANDO UNA DAQ USB-6009 EN EL SOFTWARE LABVIEW. 2. OBJETIVOS: 2.1 OBJETIVO GENERAL:  Diseñar un control PID and Fuzzy para la manipulación de la velocidad de un motor DC en el software LabVIEW.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS:  Investigar el funcionamiento sobre el control PID and Fuzzy para una aplicación en el software LabVIEW.  Indagar la utilidad y la aplicación de la Tarjeta DAQ USB-6009 en el software Labview.  Implementar un programa en LabVIEW que nos indique el proceso de un control PID and Fuzzy de velocidad para un motor DC.  Realizar las pruebas y analizar el funcionamiento de la planta hecho en el software LabVIEW.

3. MATERIALES:  Computadora  Sotware Labview  Tarjeta DAQ USB-6009  Entrenador de Planta de Control (NI EPC) 4. RESUMEN: El presente trabajo consiste en realizar un programa en LabVIEW que nos permita visualizar y controlar el proceso de una planta motor DC, utilizando PID and Fuzzy además de la aplicación de la tarjeta DAQ USB-6009. Para la implementación de la simulación se utilizara el Entrenador de Planta de Control de la National Instruments que nos brinda los beneficios de manipular un sistema físico como lo es en nuestro caso el motor DC, además de la programación grafica que le facilita al desarrollo de aplicaciones industriales. Su programación tiene diferentes controles e indicadores, la mayor parte simples y fáciles en su función, por lo que le hace que sea un instrumento virtual idóneo y de fácil manejo para esta aplicación.

5. ABSTRACT: The present work consists of realizing a program in LabVIEW that allows us to visualize and control the process of a DC motor plant, using PID and Fuzzy besides the application of the USB-6009 DAQ card. For the implementation of the simulation will be used the Control Plant Trainer National Instruments that gives us the benefits of manipulating a physical system as in our case the DC motor, in addition to the graphic programming that facilitates the development of applications Industries. Its programming has different controls and indicators, most of them simple and easy in its function, which makes it an ideal and easy to use virtual instrument for this application.

6. MARCO TEORICO SOFWARE LABVIEW Labview es un entorno grafico de programación. El lenguaje utilizado para programar en el se llama “Lenguaje G, donde la “G” simboliza que es un lenguaje de tipo grafico. Los programas desarrollados en Labview se llaman VI´s (Virtual Instruments), su origen provenía del control de instrumentos, pero hoy en día su uso se a expandido más allá.

Como ya dije, Labview tiene un entorno de programación gráfico, por lo que los programas no se escriben, sino que se dibujan, una labor facilitada gracias a que Labview consta de una gran cantidad de bloques prediseñados. Los programas se dividen en dos partes bien diferenciadas, una llamada “Panel Frontal”, y otra “Diagrama de Bloques”.  Panel Frontal: es la interfaz con el usuario, la utilizamos para interactuar con el usuario cuando el programa se está ejecutando. En esta interfaz se definen los controles (los usamos como entradas, pueden ser botones, marcadores etc..) e indicadores (los usamos como salidas, pueden ser gráficas, etc ….).  Diagrama de Bloques: es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aquí se colocan íconos que realizan una determinada función y se interconectan (el código que controla el programa). Suele haber una tercera parte icono/conector que son los medios utilizados para conectar un VI con otros VIs. En el panel frontal, encontraremos todo tipos de controles o indicadores, donde cada uno de estos elementos tiene asignado en el diagrama de bloques una terminal, es decir el usuario podrá diseñar un proyecto en el panel frontal con controles y indicadores, donde estos elementos serán las entradas y salidas que interactuarán con la terminal del VI. Podemos observar en el diagrama de bloques, todos los valores de los controles e indicadores, como van fluyendo entre ellos cuando se está ejecutando un programa VI. Labview tiene su mayor aplicación en sistemas de medición, como monitoreo de procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden ser sistemas de monitoreo en transportación, Laboratorios para clases en universidades, procesos de control industrial. Labview es muy utilizado en procesamiento digital de señales (wavelets, FFT, Total Distorsión Harmonic TDH), procesamiento en tiempo real de aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, automatización, diseño de filtros digitales, generación de señales, entre otras, etc. IN RANGE AND COERCE Esta función compara los valores de datos de entrada según las reglas de comparación booleanas . En el caso de valores numéricos, las entradas de límite superior, límite inferior y x no tienen que ser la misma representación de tipo de datos. Si alinea una combinación de números enteros firmados y sin signo con las entradas límite superior, x e inferior de la función In Range y Coerce, el tipo de datos de la salida coagida (x) debe ser lo suficientemente grande como para representar todo el rango de posibles Valores de entrada. Si la salida coaccionada (x) es un entero sin signo, los valores de entrada firmados deben ser positivos porque un entero sin signo no puede representar un número negativo. Por defecto, In Range And Coerce incluye el valor límite inferior en el rango, como lo indica el diamante negro sólido en la entrada del límite inferior. De forma predeterminada, el valor límite superior no se incluye en el rango, como se indica con el diamante vacío en la entrada del límite superior.

Figura 1. Icono de IN RANGE AND COERCE

El límite superior , x , y el límite inferior deben usualmente ser de la misma estructura de tipo de datos, ya sea matrices o clusters, pero pueden tener diferentes representaciones numéricas. Sin embargo, puede conectar una matriz a xy dos escalares al límite superior y al límite inferior. También puede conectar datos de doble precisión, de coma flotante y enteros. Coerced (x) devuelve el valor forzado o no cambiado de x . Si x está dentro del rango establecido por las entradas de límite superior e inferior o si la función está en el modo de comparación de agregados, el valor no cambia. ¿En el rango? Es un valor booleano en el modo de comparación de agregados. Coincide con la estructura de tipo de datos de x, con cada escalar sustituido por un valor booleano. BUILD PATH Crea una nueva ruta agregando un nombre o una ruta relativa a una ruta existente.

Figura 2. Icono de BUILD PATH.

Ruta base especifica la ruta a la que esta función agrega nombre o ruta relativa. El valor predeterminado es un camino vacío. Si la ruta base no es válida, esta función establece la ruta añadida a . Nombre o ruta relativa es el nuevo componente de ruta añadido a la ruta base. Si nombre o ruta relativa es una cadena vacía o una ruta no válida, esta función establece la ruta añadida a . Ruta añadida es la ruta resultante. FL FUZZY CONTROLLER (MISO) Implementa un controlador de lógica difusa para un sistema difuso de entradas múltiples de salida única (MISO).

Figura 3. Icono de FL FUZZY CONTROLLER (MISO)

Fuzzy system in especifica la información completa para un sistema difuso. Conecte el sistema difuso a la salida de otro VI al sistema difuso en la entrada de este VI.

Valores de entrada especifica los valores de las variables de entrada en el sistema difuso. El controlador de lógica difusa evalúa el valor o valores de salida de acuerdo con los valores de entrada y las reglas del sistema difuso. El valor de salida devuelve el valor de la variable de salida en el sistema difuso. El controlador de lógica difusa evalúa el valor de salida de acuerdo con el valor o valores de entrada y las reglas del sistema difuso. Si el valor de salida es cero, utilice el valor invocado por la regla? Para determinar si el controlador difuso evaluó la variable de salida correspondiente a cero o si el controlador de lógica difusa no invocó ninguna regla para evaluar la variable de salida. TONE MEASUREMENTS

Figura 4. Icono de TONE MEASUREMENTS.

Encontrar el tono único con la mayor amplitud o buscar un rango de frecuencia específica para encontrar el solo tono con la mayor amplitud. También puede encontrar la frecuencia y la fase para un solo tono. DEV1 AI5

Figura 5. Icono de DEV1 AI5.

Crea, edita y ejecuta la tarea utilizando NI-DAQmx. Consulte el readme de NI-DAQmx para obtener una lista completa de los dispositivos compatibles con NI-DAQmx. Cuando coloca este Express VI en el diagrama de bloques, el DAQ Assitant se lanza para crear una nueva tarea. Después de crear una tarea, puede hacer doble clic en DAQ Assistant Express VI para editar la tarea. Para la medición o generación continua, coloque un bucle while alrededor del DAQ Assistant Express VI. TARJETA DAQ USB-6009 El dispositivo de adquisición de datos o USB-6009 es un dispositivo de bajo costo ideal para crear mediciones de entradas analógicas y con funcionalidad para generar niveles de voltaje de salida, dispone de un contador y dos puertos con 8 líneas de entradas y salidas digitales. Esta funcionalidad se puede realizar simultáneamente para solucionar aplicaciones que van desde registros de datos,

adquisición analógica con alarmas, conteo de eventos, hasta control de lazo cerrado (Intruments, 2013).

Figura 6. Tarjeta DAQ USB-6009

El objetivo de diseñar la interfaz de usuario en LabVIEW, es facilitar la implementación de la misma y el manejo de la tarjeta de prueba. La interfaz de usuario debe de ser amigable y fácil de manejar por cualquier persona con conocimiento básico sobre el sistema de prueba. La Figura 6 muestra de manera general el método de conexión entre los dispositivos del sistema de prueba, en ella se puede apreciar que debe existir una comunicación entre la tarjeta USB-6009 y el sistema presentado en este trabajo. La tarjeta está compuesto de tres elementos, el elemento principal de la DAQ (de aquí en adelante la DAQ se refiere a la tarjeta NI USB-6009) y dos grupos de borneras. Un grupo de borneras corresponden a las entradas y salidas analógicas y el grupo opuesto corresponden a las entradas y salidas digitales, entrada de trigger o contador, +5 V y tierra, como se indica a continuación:

Figura 7. Entradas y salidas analogicas y digitales.

LABVIEW PID AND FUZZY LOGIC CONTROL PID: Actualmente, el algoritmo Proporcional-Integral-Derivativo (PID) es el Algoritmo de control más común utilizado en la industria. A menudo, las personas usan PID para procesos de control que incluyen sistemas de calefacción y refrigeración, control de flujo, y control de presión. En el control PID, debe especifique una variable de proceso y un punto de ajuste.   

La variable de proceso es el sistema Parámetro que desea controlar, como la temperatura, la presión o el caudal, Y el punto de ajuste es el valor deseado para el parámetro que está controlando.

Un controlador PID determina un valor de salida del controlador, tal como el calentador potencia o posición de la válvula. El controlador aplica el valor de salida del controlador. FUZZY LOGIC: La lógica difusa es un método de toma de decisiones basado en reglas usado por expertos sistemas y control de procesos. La lógica difusa difiere de la lógica booleana tradicional lógica en que la lógica difusa permite la pertenencia parcial en un conjunto. Se puede usar lógica borrosa para controlar los procesos representados por descripciones. Para implementar la toma de decisiones en tiempo real o el control de un sistema físico, puede conectar los datos adquiridos a un controlador difuso. Se puede utilizar salidas del controlador difuso con hardware de salida analógica DAQ para implementar control de procesos en tiempo real. El LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit es un complemento del entorno de desarrollo gráfico LabVIEW que puede usar para añadir algoritmos de control sofisticados a sus programas de LabVIEW. Al combinar este juego de herramientas con hardware de adquisición de datos, basado en FPGA y otro hardware de E/S, se puede crear aplicaciones completas de control automatizado Diseño del controlador Fuzzy en Labview. El controlador se diseñó con dos entradas llamada, ERROR, CAMBIO DEL ERROR, y una salida denominada VELOCIDAD, para esto se utilizó un VI de LabView llamado Fuzzy Logic Controller Design. A continuación se presentan descripciones de: la Variable Lingüística de la entrada (ERROR), el (CAMBIO DEL ERROR), y de la salida (VELOCIDAD CONTROLADA) con sus respectivos Términos Lingüísticos y las Reglas del controlador Fuzzy por medio del VI Fuzzy Logic Controller Design. 

Variable lingüística (Entrada ERROR) Esta variable corresponde a la señal de error en velocidad entre el set point y la señal sensada. Para esto se generaron 9 términos lingüísticos en el intervalo de -500 a 500 el cual corresponde a los errores máximo y mínimo de velocidad de acuerdo a pruebas realizadas preliminarmente, esto se puede observar en la figura 8.

Figura 8.Variable Lingüística ERROR.



Variable lingüística (Entrada cambio del error) Esta variable contiene tres términos lingüísticos llamados negativo, cero y positivo, tal como se aprecia en la figura 9.

Figura 9.Variable Lingüística cambio del error.



Variable Lingüística (Salida velocidad) La variable de salida que corresponde a la señal de control esta definida por téminos lingüísticos en el intervalo de -500 a 500 para poder dar una señal de cambio alrededor del set point y ayudar a converger al sistema. La definición de estos términos se puede apreciar en la figura 10.

Figura 10.Variable Lingüística velocidad.

7. DESARROLLO: A continuación, se implementa la simulación del proceso de la velocidad de un motor DC utilizando PID and Fuzzy. 1. Se crea un vi, en el panel frontal se agregan todos los elementos necesarios para la simulación de la planta, como se muestra en la figura 11.

Figura 11. Panel Frontal. Planta para el control de velocidad del motor.

   

Sliders verticales modifican cada uno de ellos el set point, velocidad y voltaje, para control de velocidad del motor. Waveform Chart, indica la señal de referencia y de velocidad del motor. Waveform Chart 2, indica la señal de error. Botón de STOP.

2. Se realizan las conexiones necesarias en el diagrama de bloques, haciendo uso de las funciones de la librería PID and Fuzzy, como se indica en la figura 12.

Figura 12. Diagrama de Bloques.

En este diagrama de bloque se representa la forma de conexión para la representación del control del motor con sus respectivas señales de entrada y salida, asi mismo como el uso de las librerías. En la figura 13 se muestran los pasos necesario para realizar el control del PID and Fuzzy de velocidad del motor.

Figura 133. PID and Fuzzy.

3. Para comprobar el funcionamiento se realizan los siguientes pasos: 1. Se ejecuta el VI indicando el proceso previo al funcionamiento de la planta. 2. Con ayuda de de la tarjeta DAQ USB-6009 y el entrenador de planta de control se activan los controladores, lo que entregan las diferentes señales del motor. 3. Una vez terminado el proceso se visualizara y analizaran las distintas graficas. 4. Haga clic en PARAR para detener el VI una vez terminado todo el proceso de la planta.

8. CONCLUSIONES:  Con el uso del software LabVIEW se pudo realizar deferentes aplicaciones de control o supervisión de manera grafica y didáctica como lo es en este caso se realizo el proceso de una planta para el control de velocidad de un motor DC.  Se pudo verificar que la herramienta PID and Fuzzy de Labview es una herramienta muy útil para el control de un proceso, pero es limitado ya que no puede interactuar con sistemas MISO debido a que solo se trabajó con un número limitado de entradas y solo una salida.  La tarjeta DAQ USB-6009 es ideal para crear mediciones de entradas analógicas y con funcionalidad para generar niveles de voltaje de salida e idóneo para la aplicación de control del motor DC.  Antes de utilizar la tarjeta DAQ USB-6009, se debe estar familiarizado con la programación en Labview que sirven para aplicaciones típicas como cambiar set points o enviar instrucciones de control a dispositivos individuales mientras estén supervisando el sistema entero.

 El controlador PID-FUZZY mejora aun más, el comportamiento de la respuesta del sistema que bajo la acción del controlador PID, esto en si, es muy positivo, demostrando que el controlador FUZZY diseñado, cumple con lo esperado, arrojando resultados satisfactorios.

9. RECOMENDACIONES:  Para la instalación de la tarjeta DAQ USB-6009 es necesario tener un LabVIEW instalado previamente en el computador, junto con las librerías necesarias.  Investigar bien acerca del modulo a utilizar para evitar disfunciones en el programa.  Antes de utilizar la tarjeta DAQ USB-6009, se debe estar familiarizado con la programación en Labview

10. BIBLIOGRAFIA: [1] Disponible en: http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S071807642016000500021&script=sci_arttext [2] Disponible en: http://home.hit.no/~hansha/documents/labview/training/Control%20and%20Simulation%20 in%20LabVIEW/Control%20and%20Simulation%20in%20LabVIEW.pdf. [3] Disponible en: http://insdecem.com/archivos/documentos/Trabajando%20con%20la%20NI%20USB.pdf