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30/11/13 Arduino + Matlab/Simulink: controlador PID

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Ingeniera aplicada incluso a cosas a las queprobablemente no debera aplicarse.

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Engineers like to solve problems. If there are noproblems handily available, they will create theirown problems.

~ Scott Adams

Arduino + Matlab/Simulink: controlador PID

Jorge Garca Tscar

Jueves, 21 de julio de 2011

Nuestro principal proyecto con Arduino! En este caso, empleando el sistema de comunicacin serie, vamos a

programar un controlador PID (un controlador que acta proporcionalmente al valor del error, al de su

derivada, y al de su integral) en Simulink, el programa de dibujar esquemas ms caro de la historia. El objetivo

es controlar la posicin de un sistema muy simple (podra ser llamado helicptero de un grado de libertad por

alguien extremadamente idealista y balancn a hlice por alguien que lo fuera menos) y gradualmente ir

complicado el sistema.



Como se observa, se trata de un brazo articulado con un motor en un extremo, unido a una hlice queproporciona ms o menos sustentacin en funcin del voltaje suministrado al motor. En la articulacin del eje hay

un potencimetro solidario a l, que devuelve un voltaje entre 0V y 5V, en funcin del ngulo . El

esquema del sistema de control es el siguiente:

De esta manera tenemos definida la variable de salida (posicin del eje: voltaje transmitido por elpotencimetro) y la variable de control (sustentacin de la hlice: voltaje proporcionado al motor). Nos falta

pues un bucle de control (que programaremos en Simulink), una variable de entrada y una interfaz fsica.

Interfaz fsica: Arduino + circuito de potencia PWM



Tal y como se explica en una entrada anterior, el Arduino esincapaz por s mismo de aportar el amperaje que necesita el motor, por lo que emplearemos un circuito de

potencia consistente en un transistor MOSFET.

El microcontrolador enviar a la puerta del transistor una seal PWM, y por tanto esta misma seal PWM perode potencia ser la que reciba el motor. La representacin de este montaje ser la siguente:

Esta es toda la parte fsica del problema: la planta que vamos a controlar, la variable de salida (ngulo del eje), la

variable de control (potencia al motor) y el montaje que hemos realizado con el Arduino. A continuacin la partede cdigo, tanto de Arduino como de Simulink/Matlab.

Arduino: lectura y escritura de variables fsicas

En primer lugar, el cdigo del Arduino debe ser capaz de (1) leer del potencimetro, (2) enviarlo como

dato a travs del puerto serie, (3) recibir el dato de potencia necesaria al motor y (4) escribir dicho dato en la

salida analgica como seal PWM. Hay que tener en cuenta que el conversor devuelve un valor entre 0 y 1024,

que mapeamos a 0 y 255 para poder enviarlo como un solo bit unsigned.

123456

int out = 0;byte in = 0;byte pinOut = 10; void setup() { // inicializar puerto serie



Simulink: referencia y bucle de control

Por otra parte, nuestro programa de Simulink debe recibir este dato de a travs del puerto serie,

compararlo con una referencia que controlaremos nosotros con un slider en la propia interfaz grfica deSimulink, y, mediante un controlador PID, determinar la seal de control (potencia al motor) necesaria. Despus

debe enviarla a travs del puerto serie en formato uint8, unsigned integer de 8 bits, que toma valores entre 0 y

255, ideales para la funcin analogWrite() de Arduino (click para ampliar):

Dentro del bloquePID, se pueden editar los parmetros P, I y D, siendo los ltimos que hemos empleado P = 0.26 , I = 0.9, D =

0.04 y una discretizacin de 10 ms. Otro dato a tener en cuenta es que la transmisin serie se hace en formato

uint8, pero las operaciones se hacen en formato double, de ah los conversores. Las ganancias son de valor5/1024 para pasar la seal a voltios reales.

A continuacin, un vdeo de todo el sistema en funcionamiento (esta es una de las primeras pruebas, con otros

parmetros del PID sin optimizar todava):

789101112131415161718192021222324252627

Serial.begin(9600); // preparar output pinMode(pinOut, OUTPUT);} void loop() { // leer del pin A0 como out = analogRead(A0); // escalar para obtener formato uint8 out = map(out, 0, 1023, 0, 255); // enviar en base 10 en ASCII Serial.write(out); // leer del serie si hay datos if(Serial.available()){ in = Serial.read(); // escribir en el pin 10 analogWrite(pinOut, in); } // esperar para estabilizar el conversor delay(20);}



Se puede observar cmo mediante el slider ajustamos la referencia (seal lila). El sistema, ajustando la seal de

potencia entregada al motor (seal azul) va ajustando el ngulo del eje hasta conseguir que el voltaje del

potencimetro (seal amarilla) coincida con la referencia que le hemos indicado. Incluso, a pesar de estar

en una primera fase de pruebas, se observa que es capaz de resistir a Salva perturbaciones.

Matlab: postproceso de los datos recogidos

Si nos fijamos en el programa de Simulink anterior, se puede observar que no slo se presentan en el visor las

tres seales, sino que adems se guardan en el espacio de trabajo de Matlab. Esto nos permite, a posteriori,

procesar los resultados del proceso de control como queramos: identificacin de sistemas, exportacin a

Excel en este caso, nos contentamos con emplear la genial funcin externa savefigure() para obtener un

grfico vectorial PDF:

12345678910111213141516

%% Preparar la figuraf = figure('Name','Captura');axis([0 length(ref_out) 0 5.1])grid onxlabel('Medida (-)')ylabel('Voltaje (V)')title('Captura de voltaje en tiempo real con Arduino')hold all %% Tratamientopos_out = pos_out(:);pid_out = pid_out(:);x = linspace(0,length(ref_out),length(ref_out)); %% Limpiar figura y dibujarcla



Compartes?

Ejecutando este cdigo tras haber realizado una prueba del sistema, hemos obtenido el siguiente grfico, que a

pesar de ser originalmente un grfico vectorial PDF, hemos rasterizado como PNG para poder representarloaqu:

Se observa en este caso queel motor requiere mucho menos voltaje (en gris) debido a que se trata de uno ms potente que el inicial y que el

sistema presenta todava una sobreoscilacin (overshoot) en la seal de salida (en rojo) cuando la seal de

referencia (en verde) presenta una subida escaln, cosa que esperamos corregir en futuras versiones. El siguiente

desarrollo programado es realizar un control con dos grados de libertad en lugar de uno not because its

easy, but because its hard!

Categora: Cosas "tiles", Engineer-It-Yourself | Etiquetas: Arduino, Grficos, MATLAB, MOSFET, PID,PWM, Serie, Simulink | Comentarios: 70 Comentarios

70 Comentarios on Arduino + Matlab/Simulink: controlador PID

1. 1Ingeniero dijo a las 4:45 del 17/08/2011:

Interesante, me podria enviar el codigo de simulink que utilizaron.

Gracias.

171819202122

plot(x,pid_out,'Color',[0.6,0.6,0.6],'LineWidth',2)plot(x,ref_out,x,pos_out,'LineWidth',2)legend('Control','Referencia','Posicin','Location','Best'); %% Salvar el grficosavefigure('resultado','s',[4.5 3],'po','-dpdf')

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2. 2Jorge dijo a las 4:51 del 17/08/2011:

Claro, est aqu; probablemente tengas que ajustar los parmetros del PID a tu planta en concreto!

3. 3wilker dijo a las 6:06 del 25/08/2011:

Gracias .

Yo estaba tratando de hacer la interfaz entre Matlab/Simulink y Arduino Mega 2560 de destino y no tuvo

xito. Creo que voy a obtener de esta manera la solucin

gracias;

Wilker

MG-Brasil

4. 4Esteban Pioquinto dijo a las 0:34 del 19/09/2011:

Magnifico trabajo, Jorge te felicito.

voy a intentar reproducirlo y espero hacerte varias preguntas saludos

5. 5Jose dijo a las 22:42 del 19/09/2011:

Me parece una idea bastante buena para reproducir en laboratorios de bajo coste o para la uned, voy a

probarlo, te recomiendo tambien la libreria de arduino que hay en matlab.

Un saludo.

6. 6Cristian dijo a las 22:42 del 22/09/2011:

Hola! Excelente idea, yo tengo un proyecto similar pero necesito procesar 3 seales provenientes desde

el arduino en el simulink y luego a traves de mi bucle de control, generar 2 seales que se envian al

arduino. No tengo idea como hacerlo ya que slo veo que funciona con una salida y una entrada. A ver si

me ayudan por favor!

7. 7Jorge Garca Tscar dijo a las 19:29 del 23/09/2011:

Hola Cristian! Pues nosotros ahora mismo tenemos el proyecto un poco abandonado, porque hemosempezado el curso acadmico y tenemos poco tiempo libre pero la idea que tenemos es usar algn

tipo de protocolo que Arduino y Simulink puedan discriminar, del estilo S1 300 S2 400, y que

al recibirlo, un switch-case o similar las entiendan como seal 1, seal 2, etc. Colgaremos cualquier

avance! Y si lo consigues, avsanos! =)

8. 8Diego dijo a las 0:05 del 12/10/2011:

Gracias por tu aporte jorge, un abrazo desde colombia!!!

9. 9adelrio dijo a las 23:26 del 01/11/2011:

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