Implementación de plataforma Hardware in the Loop para la enseñanza del control sobre sistema embebido de bajo costo
En el ámbito del control industrial, la posibilidad de contar con una representación virtual de cualquier planta, ya sea por motivos económicos o tiempo de desarrollo, está en auge, puesto que con esta herramienta, es posible aumentar las posibilidades de considerar cualquier escenario de comportami...
- Autores:
-
Cárdenas Castañeda, Brian Alexis
Castiblanco Castañeda, Alyson Valeria
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad ECCI
- Repositorio:
- Repositorio Institucional ECCI
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.ecci.edu.co:001/2965
- Acceso en línea:
- https://repositorio.ecci.edu.co/handle/001/2965
- Palabra clave:
- Método numérico
Algoritmo
Simulación
Controlador
Numeric Method
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Simulation
Controller
- Rights
- openAccess
- License
- Derechos Reservados - Universidad ECCI, 2022
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Método numérico Algoritmo Simulación Controlador Numeric Method Algorithm Simulation Controller |
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En el ámbito del control industrial, la posibilidad de contar con una representación virtual de cualquier planta, ya sea por motivos económicos o tiempo de desarrollo, está en auge, puesto que con esta herramienta, es posible aumentar las posibilidades de considerar cualquier escenario de comportamiento y así proveer una sintonización más adecuada y más certera de los controladores, esta técnica se conoce como Hardware In The Loop. Dentro del ámbito académico, sería más que apropiado traer todas estas ventajas en los componentes prácticos de las asignaturas de Control, ya que se observarían ahorros económicos, de tiempos de desarrollo e incluso de problemas de singularidad que presentan programas como Matlab. Es por eso que a lo largo de este documento, se explorará con detalle el proceso de desarrollo de una solución basada en esta técnica, la cual busca simular el comportamiento de dos plantas electromecánicas (Péndulo de Furuta y Helicóptero de dos grados de libertad) a través del diseño e implementación en Python del método numérico de Runge- Kutta de cuarto orden y esta simulación se hace visible a través de una interfaz HMI capaz de permitir una interacción visual con el usuario y proyectar señales medibles, todo desarrollado a través de un modelo Vista- Controlador. Finalmente, se hace la validación a través de la sintonización de dos controladores PID, los cuales demuestran la funcionalidad del sistema y sugerencias relacionadas con la sintonización de estos controladores. |
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AliExpress. (n.d.). Andújar Márquez, J. M., & Mateo Sanguino, T. J. (2010). Diseño de Laboratorios Virtuales y/o Remotos. Un Caso Práctico. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 64–72. https://doi.org/10.1016/s1697-7912(10)70009-1 Aprendiendo Arduino. (n.d.). Arduino. (n.d.). Arduino Due | Arduino.cl - Compra tu Arduino en Línea. Retrieved July 30, 2022, from https://arduino.cl/producto/arduino-due/ Departamento EDAN, U. de S. (2019). Tema 4. Métodos numéricos. In MATEMÁTICAS APLICADAS A LA BIOLOGÍA- GRADO EN BIOLOGÍA (pp. 159–181). Electronic Components Datasheet Search. (n.d.). Eugenio Lopez Aldea. (2017). Raspberry Pi Fundamentos y Aplicaciones. Giron Rodriguez, J., & Naranjo Grisales, A. F. (2018). Diseño e implementación de un laboratorio virtual usando seis plantas dispuestas en el Laboratorio de automática de la Universidad Autónoma de Occidente. Universidad Autónoma de Occidente. Gonzalez Vivas, C. E. (2011). Control del Helicoptero 2d Usando Metodos de Control Robusto h ∞. Universidad Nacional de Colombia. Guerra Carmenate, J. (2022). ESP32 Wifi y Bluetooth en un solo chip. https://programarfacil.com/esp8266/esp32/ Navaridas, F. C. (2017). Control de un péndulo invertido rotatorio con hardware de bajo coste. Universidad de La Rioja. Pastor, J. (2018). Xataka. Pedro, M. I. A., Medina, L., Saba, M. I. G. H., Hernández, M. S. I. J., Ladrón, M. C. E., & Durán, D. G. (1940). Los Laboratorios Virtuales 1 y Laboratorios Remotos en la Enseñanza de la Ingeniería. August 2017, 24–30. Penin, A. R. (n.d.). Sistemas SCADA. Porras Rodríguez, C. C., & Guatibonza Pérez, J. A. (2020). Sistema Para El Desarrollo De Estrategias De Control on / Off , Pid Y Lqr Aplicadas Al Helicóptero Quanser 2 Dof Del Laboratorio De Control De La Facultad Tecnológica. Santana, I., Ferre, M., Hernández, L., Aracil, R., Rodríguez, Y., & Pinto, E. (2010). Aplicación del Sistema de Laboratorios a Distancia en Asignaturas de Regulación Automática. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 46–53. https://doi.org/10.1016/s1697-7912(10)70007-8 STMicroelectronics. (2020). Datasheet - STM32F205xx STM32F207xx Arm®-based 32-bit MCU. July. https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f207ig.pdf Valera, A., Soriano, A., & Vall, M. (2014). A. Valera ∗ , A. Soriano, M. Vall´ es. 11, 363–376. https://doi.org/10.1016/j.riai.2014.09.002 Zill, D. G. (1997). Capítulo 9. Métodos numéricos. In Ecuaciones Diferenciales con aplicaciones de modelado (pp. 400–436). |
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Dentro del ámbito académico, sería más que apropiado traer todas estas ventajas en los componentes prácticos de las asignaturas de Control, ya que se observarían ahorros económicos, de tiempos de desarrollo e incluso de problemas de singularidad que presentan programas como Matlab. Es por eso que a lo largo de este documento, se explorará con detalle el proceso de desarrollo de una solución basada en esta técnica, la cual busca simular el comportamiento de dos plantas electromecánicas (Péndulo de Furuta y Helicóptero de dos grados de libertad) a través del diseño e implementación en Python del método numérico de Runge- Kutta de cuarto orden y esta simulación se hace visible a través de una interfaz HMI capaz de permitir una interacción visual con el usuario y proyectar señales medibles, todo desarrollado a través de un modelo Vista- Controlador. Finalmente, se hace la validación a través de la sintonización de dos controladores PID, los cuales demuestran la funcionalidad del sistema y sugerencias relacionadas con la sintonización de estos controladores.In the Industrial Control field, the possibility to find with a virtual representation of any system, due to economical or development time reasons is increasing, because with this tool, is possible to considerate more operation scenarios and with that give better controller sintonizations, this technique is known as Hardware In The Loop. In the academic field, it would be excellent to bring all these advantages in the practical topics of the subjects related with control with the same economical and time development advantages, also to fix singularity errors that is possible to find in programs like Matlab. In the following document, it will be explored with detail the two electromechanical plants behavior (Furuta’s Pendulum and Two Degrees of Freedom Helicopter) through the development and implementation in Python of fourth order Runge- Kutta numeric method projected by a HMI interface able to have a visual interaction with the user and give measured signals, everything developed through View- Controller Model. Finally, the tests are projected through two PID controller sintonization, that can demonstrate how it works the system, with some suggestions relate with these sintonizations.Resumen Lista de figuras Lista de tablas Lista de Símbolos y abreviaturas Introducción Planteamiento del problema Justificación Objetivos 1. Capítulo 1: Marco Referencial 1.1 Antecedentes 1.2 Marco teórico 1.2.1 Introducción a los métodos numéricos 1.2.2 Método de Runge- Kutta de cuarto orden 1.2.3 Raspberry PI 1.2.4 Conversor DAC MPC 4725 2. Capítulo 2: Modelos matemáticos del Péndulo de Furuta y Helicóptero de Dos Grados de Libertad 2.1 Péndulo de Furuta 2.2 Helicóptero de Dos Grados de Libertad 3. Capítulo 3: Simulación en el tiempo del Péndulo de Furuta y Helicóptero de dos grados de libertad (Uso del método de RK4O 3.1 Variables de estado de los sistemas 3.1.1 Variables de estado del Péndulo de Furuta 3.1.2 Variables de estado del Helicóptero de dos grados de libertad 3.2 Desarrollo del algoritmo Runge- Kutta de Cuarto orden 3.2.1 Consideraciones específicas al algoritmo RK4O para el Péndulo de Furuta 3.2.2 Consideraciones específicas al algoritmo RK4O para el Helicóptero de dos grados de libertad 3.3 Implementación del algoritmo RK4O en Python y validación en Matlab y Simulink 3.3.1 Validación del Pendulo de Furuta en Simulink 3.3.2 Validación del Helicóptero de dos grados de libertad en Simulink 4. Capítulo 4: Human-machine Interface 4.1 Diseño e implementación del Front-end: Interfaz de usuario e ingreso de parámetros 4.2 Desarrollo del Back-End de la Interfaz virtual 4.2.1 Estructura general de la Interfaz virtual 4.2.2 Pantalla de bienvenida 4.2.3 Pantalla de Instrucciones 4.2.4 Pantallas de las plantas electromecánicas: Péndulo de Furuta y Helicóptero de dos grados de libertad 4.2.5 Simulación de las plantas electromecánicas 4.2.5.1 Aspectos generales de las clases tipo “Presentación” 4.2.5.2 Consideraciones específicas para cada una de las plantas simuladas de la clase “Presentación” 4.2.6 Clase I2C_DAC 4.2.7 Clase SERIAL 5. Resultados de la validación del funcionamiento del Hardware In The Loop 5.1 Validación del Péndulo de Furuta con PID 5.2 Validación del Helicóptero de dos grados de libertad con PID 5.3 Implementación del controlador PID en el HIL del Péndulo de Furuta 5.3.1 Diseño del controlador PID en Arduino Due 5.3.2 Implementación del controlador a las simulaciones 6. Conclusiones y trabajo futuro 6.1 Conclusiones 6.2 Trabajo futuro A. Anexo: Códigos y Diagrama de Flujo del Hardware in the Loop. BibliografíaPregradoIngeniero en MecatrónicaIngeniería Mecatrónica131 p.application/pdfspaUniversidad ECCIColombiaFacultad de IngenieríasDerechos Reservados - Universidad ECCI, 2022info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Implementación de plataforma Hardware in the Loop para la enseñanza del control sobre sistema embebido de bajo costoTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/redcol/resource_type/TPhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85http://purl.org/coar/version/c_dc82b40f9837b551AliExpress. (n.d.).Andújar Márquez, J. M., & Mateo Sanguino, T. J. (2010). Diseño de Laboratorios Virtuales y/o Remotos. Un Caso Práctico. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 64–72. https://doi.org/10.1016/s1697-7912(10)70009-1Aprendiendo Arduino. (n.d.).Arduino. (n.d.). Arduino Due | Arduino.cl - Compra tu Arduino en Línea. Retrieved July 30, 2022, from https://arduino.cl/producto/arduino-due/Departamento EDAN, U. de S. (2019). Tema 4. Métodos numéricos. In MATEMÁTICAS APLICADAS A LA BIOLOGÍA- GRADO EN BIOLOGÍA (pp. 159–181).Electronic Components Datasheet Search. (n.d.).Eugenio Lopez Aldea. (2017). Raspberry Pi Fundamentos y Aplicaciones.Giron Rodriguez, J., & Naranjo Grisales, A. F. (2018). Diseño e implementación de un laboratorio virtual usando seis plantas dispuestas en el Laboratorio de automática de la Universidad Autónoma de Occidente. Universidad Autónoma de Occidente.Gonzalez Vivas, C. E. (2011). Control del Helicoptero 2d Usando Metodos de Control Robusto h ∞. Universidad Nacional de Colombia.Guerra Carmenate, J. (2022). ESP32 Wifi y Bluetooth en un solo chip. https://programarfacil.com/esp8266/esp32/Navaridas, F. C. (2017). Control de un péndulo invertido rotatorio con hardware de bajo coste. Universidad de La Rioja.Pastor, J. (2018). Xataka.Pedro, M. I. A., Medina, L., Saba, M. I. G. H., Hernández, M. S. I. J., Ladrón, M. C. E., & Durán, D. G. (1940). Los Laboratorios Virtuales 1 y Laboratorios Remotos en la Enseñanza de la Ingeniería. August 2017, 24–30.Penin, A. R. (n.d.). Sistemas SCADA.Porras Rodríguez, C. C., & Guatibonza Pérez, J. A. (2020). Sistema Para El Desarrollo De Estrategias De Control on / Off , Pid Y Lqr Aplicadas Al Helicóptero Quanser 2 Dof Del Laboratorio De Control De La Facultad Tecnológica.Santana, I., Ferre, M., Hernández, L., Aracil, R., Rodríguez, Y., & Pinto, E. (2010). Aplicación del Sistema de Laboratorios a Distancia en Asignaturas de Regulación Automática. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 46–53. https://doi.org/10.1016/s1697-7912(10)70007-8STMicroelectronics. (2020). Datasheet - STM32F205xx STM32F207xx Arm®-based 32-bit MCU. July. https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f207ig.pdfValera, A., Soriano, A., & Vall, M. (2014). A. Valera ∗ , A. Soriano, M. Vall´ es. 11, 363–376. https://doi.org/10.1016/j.riai.2014.09.002Zill, D. G. (1997). Capítulo 9. Métodos numéricos. In Ecuaciones Diferenciales con aplicaciones de modelado (pp. 400–436).Método numéricoAlgoritmoSimulaciónControladorNumeric MethodAlgorithmSimulationControllerORIGINALTrabajo de grado.pdfTrabajo de grado.pdfapplication/pdf3021833https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/2965/1/Trabajo%20de%20grado.pdfc98bfe532b88f60b9a5e6657924003ebMD51Cesión de derechos.pdfCesión de derechos.pdfapplication/pdf411660https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/2965/2/Cesi%c3%b3n%20de%20derechos.pdfa1e0713fd11c21a1caf384a3fd22b3b6MD52Acta de opción de grado .pdfActa de opción de grado .pdfapplication/pdf663005https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/2965/3/Acta%20de%20opci%c3%b3n%20de%20grado%20.pdfaf462a601e13629992826011270b7e6bMD53LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-814798https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/2965/4/license.txt88794144ff048353b359a3174871b0d5MD54TEXTTHUMBNAILTEXTTrabajo de grado.pdf.txtTrabajo de grado.pdf.txtExtracted 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