Control automático de velocidad en un vehículo para la realización de ensayos de impacto.

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería electrónica Industrial y automática Control automático de velocidad en un vehículo para la realización de ensayos de impacto. Autor: Gómez Marín, Sergio Valladolid, 05-2019. Tutores: Mansilla Gallo, Alberto Manso Burgos, José Gabriel Dpto. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Expresión Gráfica en la Ingeniería, Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría, Ingeniería Mecánica e Ingeniería de los Procesos de Fabricación 2 3 Resumen La finalidad de este proyecto es obtener una señal simulada de un pedal electrónico, que conseguirá controlar la aceleración de un vehículo real con el que se realizan ensayos de impacto en una pista de choque. Para ello construiremos un banco de pruebas que nos ayudara a obtener los parámetros necesarios y la señal óptima de control. Palabras clave: banco de pruebas, autómata, lazo de control, LabVIEW, PID. Abstract The purpose of this project is to obtain a simulated signal from an electronic pedal, which will control the acceleration of a real vehicle with which impact tests are made on a crash track. For this we will build a test bench that will help us obtain the necessary parameters and the optimal control signal. Key Words: test bench; automatic control; control loop; LabVIEW; PID. 4 5 Índice Introducción y objetivos. .................................................................................................... 7 Descripción del control de velocidad del vehículo. .......................................................... 10 El vehículo de pruebas. ................................................................................................. 10 Esquema real del control de la velocidad en el vehículo. ............................................. 13 Explicación del funcionamiento del pedal electrónico en un vehículo ¿Cómo funciona?: ..................................................................................................................... 14 Sensor de medida de la velocidad. ¿Qué es y cómo funciona? .................................... 19 Tipos de sensores ABS: ............................................................................................. 20 Diseño y construcción del banco de pruebas. .................................................................. 25 Variador de frecuencia y motor de las pruebas. ........................................................... 29 Motor AEG trifásico VDE 0530. ................................................................................. 29 Variador de frecuencia RS 510. ................................................................................. 30 ECM del vehículo y nuestro NI cDAQ-9174 ................................................................... 32 El entorno de trabajo. ....................................................................................................... 36 Desarrollo software de la señal del pedal electrónico...................................................... 38 Control manual. ............................................................................................................ 38 Control automático. ...................................................................................................... 42 Sistemas de control cerrados. ................................................................................... 42 ¿Qué es un PID? ........................................................................................................ 43 Cálculo de los parámetros del PID. ........................................................................... 48 Método de Ziegler y Nichols. .................................................................................... 50 Algoritmo de la selección del modo de conducción. ................................................ 53 Verificación del sistema en el banco de ensayos. ............................................................. 56 Conclusiones. .................................................................................................................... 59 Bibliografía. ....................................................................................................................... 63 Anexos. .............................................................................................................................. 65 Anexo – 1. Hojas de características cdaq-9174 ............................................................ 65 Anexo –2. Hojas de características NI-9220 .................................................................. 68 Anexo –3. Hojas de características NI-9263 .................................................................. 71 Anexo –4. Programa completo LABVIEW. .................................................................... 75 Anexo –5.Dibujo cotas banco de pruebas. ................................................................... 78 6 7 Introducción y objetivos. El objetivo de este trabajo es el obtener la señal de voltaje de un pedal electrónico que llegará a la unidad de control del motor de la forma más óptima, gracias a la implementación de un PID junto con sus parámetros, para controlar la aceleración de un vehículo real. Hacer que esta señal sea estable y aun así obtener la aceleración en el menor tiempo posible será algo prioritario. Para esto recurriremos a la construcción de un banco de pruebas donde realizaremos los ensayos de los diferentes parámetros gracias a las aproximaciones entre las piezas reales del vehículo y las utilizadas en el banco. Pero antes debemos familiarizarnos con algunos conceptos no siempre bien conocidos por todos, como es el saber qué es el limitador de velocidad y el control de velocidad. ¿En qué consiste un limitador? Con el paso del tiempo los vehículos han ido aumentando de prestaciones, potencia, seguridad…etc. Han ido incluyendo una electrónica de control capaz de gestionar en tiempo real cada parte que lo compone, de tal forma que el usuario tiene a su mano una gran cantidad de información que lo ayuda en la toma de decisiones a la hora de realizar el acto de conducir. Toda esta evolución en la electrónica en el automóvil se traduce en una mayor seguridad, confort y consumo. Es por esto que el objetivo de todo este trabajo sea mucho más amplio que simplemente entender cómo funciona dicho control de velocidad, si no, en posibles ventajas y desventajas en comparación con los ya existentes o incluso en un futuro sustituir lo ya diseñado por otro autómata con mejores prestaciones. Figura 1 Recuperado de https://www.motor.mapfre.es /accesorios/noticias-accesorios/limitador-velocidad/ 8 Introduciendo de forma más concreta este trabajo; dado que el vehículo y las equivalencias entre las piezas reales y las usadas en las pruebas se harán más adelante, explicaremos de forma global que problema nos encontramos y que herramientas nos han ayudado a solventar las pruebas. Hoy en día prácticamente todo el mundo conoce lo que es un control de velocidad o ha oído hablar de ello, es un sistema que apoya a la conducción manteniendo una velocidad fijada de antemano, sin que el conductor tenga que presionar el pedal del acelerador, el propio vehículo se encargaría de realizar las labores de frenado y aceleración por él, de una forma suave y controlada. Figura 2 Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Control_de_velocidad Todo esto tiene una implicación directa sobre el grado de fatiga del conductor, consiguiendo un menor cansancio al reducir el número de tareas, y centrarse en manejar únicamente la dirección. Por no hablar de evitar posibles multas debido al exceso de velocidad en algunos tramos gracias a un ritmo de conducción constante y relajada. Ahora que hemos recordado qué es un control de velocidad; ¿Qué es un limitador? Continuando con la explicación anterior esto es sencillo, permite al usuario establecer una velocidad máxima a la que se desea circular, la diferencia básica con el crucero, es que el conductor está obligado a manejar el pedal del acelerador, es decir; a realizar el acto de conducir completo no estando obligado a rebasar la consigna previa. Cuando esto sucede el sistema avisa con sonidos y alertas luminosas al conductor no dejándole rebasar ese límite. El funcionamiento de estos dos dispositivos como hemos podido comprobar son muy diferentes, ya que los limitadores son muy útiles en autopistas, autovías y trayectos largos, evitando frenazos y acelerones bruscos lo que repercute directamente en un mejor rendimiento del combustible. Un detalle en la implementación de estos dispositivos, es que en vehículos de particulares no será obligatorio hasta el año 2022 pero, en aquellos vehículos destinados al transporte de personas (más de ocho asientos), y mercancías (más de 3500 Kg) están obligados a su instalación. Además, existe una directiva europea para la legislación del transporte que pretende regular todo este sector, define en qué condiciones un vehículo debe instalar este dispositivo y cuales están exentos: 9 - Los que no puedan sobrepasar velocidades entre 90 y 100 km/h para mercancías y pasajeros. - Vehículos oficiales de cuerpos de seguridad, fuerzas armadas, servicios de urgencias...etc. - Los que tengan finalidad de ensayos científicos. - Los utilizados para el servicio público de transporte en áreas urbanas. 16 Figura 8; Fórmula matemática del divisor de tensión. Recuperado de http://fdetonline.com/acelerador-electronico-funciona/ Vout por tanto en los valores máximos y mínimos del recorrido tendrá un valor de Vin o 0V respectivamente, este dato es sumamente importante ya que así podremos obtener el máximo rango de valores y obtener una señal eficaz y sensible. Por esto, realizamos una inspección a nuestro vehículo para averiguar el modelo de pieza exactas que necesitamos nos encontramos con un sensor resistivo (figura 9). Figura 9; Modelo del pedal en el Porsche. El pedal para las pruebas en el laboratorio nos lo facilitaron desde un desguace cercano, procedía de un vehículo (Volkswagen passat 2012), que montaba el mismo modelo de pedal, modelo exacto: 7L0 723 507 D. Entonces, si ya conocemos el modelo del pedal y su tecnología, ¿Por qué nos encontramos con seis terminales de salida? 17 Figura 10; Modelo del pedal en el Porsche. Es fácil; como hemos hablado anteriormente el pedal es una pieza muy relevante en la principal función de cualquier vehículo; moverse, también lo es en seguridad, entonces tiene que aparecer analizado el posible fallo del sensor, por esto, las medidas que arroja el pedal están duplicadas, es decir tenemos dos sensores de tal forma que el ECM tomará una diferencia de las medidas para comprobar si estas miden correctamente, aunque una medida sea incongruente no tiene por qué está mal, aquí entra en juego la lógica que se persiga según el diseño del sistema de aceleración, y si según esta lógica es errónea avisara al usuario con los correspondientes avisos y luces de señal. Teniendo el pedal físico con nosotros y sabiendo cómo funciona, necesitamos en un futuro (cuando la bancada de pruebas esté terminada), poder controlar el motor con este pedal electrónico, por tanto estudiaremos las salidas reales que nuestro pedal nos da en los terminales, los cuales vemos en la figura10. Estos terminales de salida se componen de dos potenciómetros, como hemos explicado anteriormente, nosotros hemos trabajado con uno directamente para evitar la mayor complejidad que supondría sacar los seis terminales y realizar la medición diferencial, insisto que todo esto es de forma experimental. Observamos que entre los terminales 3-4 de nuestro conector obtenemos la mayor variación de resistencia (realizando las medidas con un multímetro entre todos los terminales 1.046-1.883 Ω), lo que nos ofrece un mayor rango de manejo del motor en un futuro. Pero claro en este punto nos encontramos el primer problema de instrumentación; si alimentamos estos terminales (terminales 3-4) con una CC y realizamos la medición, siempre obtendremos la misma media ¿Cómo podemos solucionar esto? Sencillo; instalando un divisor de tensión antes de estos terminales 3-4, en este caso una resistencia de 220 Ω, y el conjunto alimentándolo con una fuente de 1 2 5 6 4 3 18 alimentación de 5V CC. La medición por tanto de esta variación de tensión, se obtendrá en los propios terminales 3-4, obteniendo un esquema como se puede observar en la figura 11. Figura 11; Esquema electrónico pedal y sensor ABS. Como se pude intuir en la figura, todos los sensores posteriores (ABS) estarán alimentados a 5 V así solo utilizaremos una fuente de alimentación. Destacamos el divisor de tensión que construimos, para tomar una medida precisa de la resistencia variable gracias a la tarjeta de NI (señalado en rojo en la figura). 19 Sensor de medida de la velocidad. ¿Qué es y cómo funciona? El ABS o también llamado sistema antibloqueo, constituye un elemento de seguridad del vehículo. Su principal función es minimizar en mayor medida el riesgo de accidentes mediante el control del proceso de frenado. Durante el frenado existe un riesgo muy alto que la rueda quede bloqueada, el ABS tiene como finalidad el realizar un control adaptativo del líquido de freno que controla el sistema de frenado de cada rueda, mejorando la estabilidad en la conducción; la direccionalidad; la distancia de parada. Figura 12; Sistema ABS. Recuperado de http://www.mecanicavirtual.org La ubicación de este tipo de sensores pueden ser muy variadas, de forma habitual suele estar colocado en una zona próxima al porta mangueta de la rueda, para determinar la velocidad de giro enviando esta señal de control al ECM. Si esta unidad detecta que hay un descenso muy significativo en la velocidad; esta tecnología interviene modulando la presión de frenado individualmente en cada rueda evitando que se queden bloqueadas y patinen sobre el asfalto permitiendo tener un control del vehículo; es decir evita un frenado brusco haciendo que la rueda siga girando levemente. Esta información es utilizada por otros componentes del vehículo como los sistemas de navegación GPS o las cajas de cambios (en vehículos automáticos), sistemas electrónicos de estabilidad, de ascenso de pendientes…etc. 20 Tipos de sensores ABS: Como la importancia de estos sensores es elevada, han tenido mucha evolución y mucha variedad de tecnología, por tanto podemos realizar una clasificación según su tecnología. Los tipos de sensores más habituales son: - Sensores pasivos. - Sensores pasivos. Sensores ABS pasivos (Inductivos): Se distinguen por estar asociados a una rueda dentada, más grandes que la media y con menor precisión; no empiezan a funcionar hasta que no alcanza la velocidad de rotación determinada mínima. Figura 13; Sistema ABS. Recuperado de http://www.mecanicavirtual.com Se basa en una bobina que rodea un núcleo magnético y un imán permanente, la variación de flujo magnético que producen en los dientes de la rueda, induce una tensión en forma sinodal, proporcional a la velocidad de la rueda. Sensores ABS activos: Se les denomina activos ya que requieren de una fuente de alimentación externa, la señal de salida que se obtiene es de tipo cuadrada repetida, siendo su frecuencia proporcional a la velocidad de la rueda a medir, como alimentamos de una fuente externa, este tipo de sensores son más precisos, ya que inicialmente (velocidad cero) obtenemos medida al igual en velocidades muy bajas. 21 Figura 14; Recuperado de http://www.mecanicavirtual.com Dentro de este tipo encontramos: Sensor ABS tipo Hall: De elevada precisión, se componen de un semiconductor asociado a un circuito electrónico, protegiendo al sensor de posibles picos de tensión que dañarían el circuito y un imán permanente. Su funcionamiento se basa en el efecto hall, que consiste en la generación de un voltaje variable transversal al campo magnético. 1. Rueda dentada. 2. Conector. 3. Tipo de señal. 4. Imán permanente. 5. Campo magnético. 6. Sensor Hall. Figura 15; Recuperado de http://www.mecanicavirtual.com El imán permanente se integra detrás del sensor hall creando un campo magnético que atraviesa la sonda hall, y la rueda dentada. Cuando se produce giro, se genera una variación en el campo magnético, el sensor mide esta variación y trata los cambios mediante una señal rectangular de voltaje, al igual que los sensores ABS activos. La señal no depende de la velocidad, por lo tanto la señal es muy fiable incluso a 0 RPM: 22 Sensores ABS Hall con anillo codificador magnético. Aquí la variación del campo magnético es debido al cambio de polaridad de una rueda pre imantada seccionalmente. En este caso el sensor hall no tiene integrado ningún imán permanente, permitiendo que su construcción sea muy reducida, de forma habitual el cojinete de la ruda alberga a este disco para ahorrar espacio. 1. Disco codificador. 2. Sensor Hall. 3. Cuerpo del sensor. Figura 16; Recuperado de http://www.mecanicavirtual.com Sensor ABS magnético resistivo (AMR): Este tipo de sensores son prácticamente insensibles a la distancia del codificador transmitiendo una señal muy fiable. El sensor se monta encima de un codificador magnético y como los anteriores miden el campo magnético en sentido transversal; con esta variación en el campo se puede determinar la velocidad y el sentido de giro de rotación. Figura 17; Recuperado de http://www.mecanicavirtual.com 23 Para nuestro caso particular y después de realizar pruebas con otros sensores, utilizaremos el modelo suministrado por RS (con su correspondiente hoja de características), el sensor ZF GS100701. Tomamos la decisión de optar por este, porque según el utilizado por la marca Porche, es un sensor que traba en una frecuencia similar al original, para poder obtener resultados lo más precisos posibles a la realidad. Figura 18; Recuperado de https://es.rs-online.com/web/p/sensores-de-efecto-hall/7659321/ Como detalle en su manejo, una vez después de leer de forma detallada el datasheet, nos damos cuenta que necesitamos una resistencia en Pull-Up para que pueda funcionar. Figura 19; Recuperado de https://es.rs-online.com/web/p/sensores-de-efecto-hall/7659321/ 24 Como el pedal que utilizaremos no es más que un pequeño potenciómetro encubierto, optamos por elegir una tensión de trabajo de 5 V (figura 19 señalado en rojo) en continua para poder alimentar todos los sensores con una única fuente, ahorrando cables y simplificando el esquema. Figura 20. Detalle de la resistencia en Pull-Up (1k Ω). 25 Diseño y construcción del banco de pruebas. Todos los componentes de los que hemos hablado anteriormente los instalaremos sobre unos perfiles de aluminio que disponemos en el almacén, en este caso son perfiles de 40x40, con una gran versatilidad. Figura 21. Detalle de unión de los perfiles utilizados. Figura 22. Detalle de unión de los perfiles utilizados. Como podemos observar en las imágenes 21 y 22 para la unión de la superficie de nuestros perfiles, el fabricante nos da un elemento de unión específico (conector de cabeza redonda, ref.: 5352), para poder juntar todos nuestros perfiles con la distancia que deseamos, además de cierta tornillería específica para poder anclar todas las piezas. Para poder instalar todo el conjunto es necesario, medir todas las piezas y buscar la solución más óptima con el menor gasto de material, por tanto nos apoyaremos en la impresión de algunas piezas con impresión 3D para que podamos colocar todo de forma eficiente. 32 Un potenciómetro no es más que una diferencia de potencial variable, y es exactamente lo que sacamos a través del uno de los módulos que como podemos comprobar en la figura 32 hemos seleccionado; es decir utilizaremos este modo para controlar la velocidad del motor a través de una de las dos tarjetas de NI que nos ofrece una salida de voltaje. El variador siempre estará puesto en ese modo. Tendremos que tener en cuenta observando las características de este modo que la tensión máxima que admite este rango varía entre 0 y 10 V por tanto todos los cálculos de la programación tendrán que ir orientados en ese rango. ECM del vehículo y nuestro NI cDAQ-9174 Para explicar que es el ECM de cualquier vehículo hemos tenido que entender con anterioridad que todas las piezas que componen nuestro automóvil necesitan comunicarse entre sí, además de controlar toda la información que recopilan los sensores. Esto es precisamente lo que hace el ECM; es un módulo electrónico responsable de recibir y transmitir las señales de todos los sensores de vehículo, vigilando posibles fallos en el sistema del automóvil. La ubicación de este ECM, depende de las marcas y del modelo que vayamos a estudiar. Está basado en una programación cerrada y propia de cada marca, por lo que para solventar este problema del limitador de velocidad descartamos su manipulación y simplemente simularemos una señal de acelerador para hacer creer a este pequeño ordenador que se está presionando este actuador, cuando en realidad es una señal generada por nuestro autómata. Al contrario que para la elección de los sensores y actuadores mencionados anteriormente, aquí no tenemos ningún patrón a seguir, ya que el autómata será la única parte del esquema que añadiremos para controlar la velocidad; el autómata elegido será el proporcionado por National Instruments, para ser más concretos el bastidor NI cDAQ-9174 (el autómata es el conjunto de bastidor y ordenador). Por si solo este elemento no realiza ninguna función, su principal objetivo es la comunicación del ordenador con los pequeños módulos o tarjetas que puede soportar; nos encontramos ante otra decisión; ¿qué módulos necesitaremos? 33 Figura 31; Recuperado de http://www.ni.com/es-es/support/model.cdaq-9174.html Como he resumido anteriormente, los sensores que trabajan de forma real en el coche, tratan un tipo de señal de voltaje, entonces como primer módulo, resulta obvio que será un tarjeta capaz de leer por varios canales, señales de voltaje en un rango aproximado de -10 a 10v. Seleccionamos el modulo NI-9220, capaz de recibir 16 canales de entrada simultánea, y unas características de instrumentación de primer nivel. Figura 26; Recuperado de http://www.ni.com/es-es/support/model.ni-9220.html También necesitaremos simular una señal de salida de voltaje hacia la ECM, siguiendo con el modulo anterior, escogemos el NI-9263, capaz de proporcionar 4 canales de salida analógica de voltaje de ±10 V. 34 Figura 32 Recuperado de http://www.ni.com/es-es/support/model.ni-9263.html Si el lector de esta memoria se interesa más por estos módulos, dejare en los anexos algunas hojas de características para posibles dudas que se puedan tener. Antes de explicar toda la parte software y para terminar con la parte física de las conexiones, adjuntamos un esquema de cómo se realizan todas las conexiones con un identificador diferente para cada cable, además de una foto del banco de pruebas. Figura 33; Diagrama de conexión general. AVI 35 Figura 34; Foto del banco de pruebas. 36 El entorno de trabajo. Todo este entorno de instrumentación de NI, se programa en LabView, un lenguaje de programación poco trabajado a lo largo de la carrera. Se caracteriza en que sus líneas de código son bloques, que puedes utilizar para acondicionar y tratar una señal; está enfocado a la instrumentación y supervisión de sistemas en ingeniería. Figura 35; Recuperado de https://en.wikipedia.org/wiki/LabVIEW Todo el programa está basado en el trabajo con bloques, para el tratamiento de la información obtenida con los módulos (tarjetas). Se compone de dos espacios de trabajo, un entorno que se basa más en el procesamiento de la señal llamado “diagrama de bloques”; y otro espacio encargado de visualizar y de realizar la acción de lo que queramos obtener mediante actuadores en forma de botones, o marcadores “panel frontal”. Figura 36; Programa ejemplo Labview. 37 El único inconveniente que he encontrado en este software, es la incapacidad de poder hacer zoom en la pantalla del diagrama de bloques, para poder explicar mejor que hace cada parte y de que está formado; así que he optado por realizar capturas de pantalla con la mayor resolución posible. 38 Desarrollo software de la señal del pedal electrónico. Control manual. En este punto del proyecto, tenemos todas las piezas seleccionadas, y todo el software que nos ayudara a resolver el problema, que no debemos olvidar; el acelerar un vehículo a una velocidad definida en el menor tiempo posible y con la mayor “estabilización” que podamos lograr. Entonces tenemos que plantear varias decisiones; una es una conducción normal donde el usuario es capaz de acelerar y frenar el vehículo, con el pedal electrónico; y un cambio de modo “automático” donde es nuestro programa el que toma las riendas de la aceleración, puenteando la señal del acelerador en el variador. De forma básica inicialmente, deberemos implementar los bloques que consigan leer los sensores, y obtener la salida de voltaje que ira al variador de frecuencia previo paso a nuestro motor, consiguiendo así una conducción normal, donde el usuario es el que podrá acelerar el sistema. La línea básica de código con la que conseguimos una lectura de los instrumentos, después de realizar muchas pruebas erróneas es: Figura 37. Los bloques “AI Voltage” definen los canales de entrada de las tarjetas de NI por los que vamos a obtener las diferentes señales (A0 terminales 3-4 del pedal electrónico y A1 señal obtenida del ABS). “Sample Clock” es la frecuencia a la que podemos actualizar los valores de la señal, de forma habitual esta señal se de en KHz y por ultimo Analog 1D hace referencia al número de señales y de qué tipo son estas (entradas analógicas). 39 Gracias a utilizar de forma constante el bloque de “Wavefromchart” podemos ver si la señal que estamos recibiendo es la correcta y en que rango se encuentra. Llegados a esta parte, tenemos que poder visualizar las dos señales por separado y de una manera clara y transformable, matemáticamente hablando. Figura 38. Adquisición de los datos. Como podemos apreciar en el punto 1 de la figura 38 inicialmente procedemos a dividir las dos señales que nos llegan en un único canal, en otros dos para poder trabajar de manera independiente cada una, en el punto 2 vemos como la señal del ABS (ya diferenciada) está dividida entre menos 1 y eso es por la sencilla razón que a la hora de conectar los cabes de lectura en el módulo de NI se han conectado al revés (igual que si conectáramos un voltímetro al revés) no es algo importante pero hay que devolver a la señal su signo correspondiente positivo, de ahí este bloque. El punto 3 de la figura 38 es muy importante, ya que es el bloque capaz de contar flancos de subida en un tiempo de muestra de terminado, es decir, el encargado de contar cuantos pulsos (cuantos dientes de la rueda dentada enfrentada) están pasando por el sensor por unidad de tiempo. La referencia 4 (dentro del punto 3) que vemos, es la marca de 4 voltios que tiene que superar en cada flanco de subida. En la figura 39 de a continuación vemos un ejemplo de cómo funciona este bloque para una señal sinodal más lenta. 40 Figura 39. Inmediatamente después del punto 1 y antes de llegar al 4 encontramos algo que he denominada “algoritmo para ampliar el rango del pedal electrónico”; esto es sencillo, como he comentado en el punto anterior, desde el módulo NI9220, leemos la señal procedente del acelerador electrónico esta señal tiene demasiado poco rango (1.046-1.883 Ω) por tanto esa serie de cuentas en cascada convierten mediante reglas de tres, el pequeño recorrido del pedal en una salida que amplia de 0 a 10 V de salida hacia el variador (lo máximo que permite). El punto 4 de la figura 39 es sencillamente un filtro paso bajo que filtra la señal del pedal de salida para obtener una continuidad sin saltos en la salida hacia el segundo módulo de NI. Figura 40. Bloque salida de voltaje. 41 Esta señal filtrada es alimentada hacia la salida del módulo NI-9263 que alimenta directamente el variador en su modo “potenciómetro externo”. Aquí tenemos (figura 41) el modo de conducción manual, el cual según aprietas el acelerador, aumenta la tensión de salida al variador proporcionalmente y aumenta la velocidad del motor que lo registra según los pulsos en el sensor ABS. Ya tenemos solucionado el primer planteamiento del problema poner el marcha el conjunto y recopilar toda la información de los sensores, ahora tenemos que solucionar el problema de la aceleración automática. Figura 41. Variación de V del pedal. Tiempo 48 Figura 47; Resultados de modificar la acción Proporcional. Recuperado de https://sites.google.com/site/picuino/pid_controller Ahora que conocemos un poco más como funciona un PID, vamos a explicar de qué forma lo hemos implementado en nuestro programa. Cálculo de los parámetros del PID. Entre las muchas versatilidades de Labview, encontramos algunos módulos planteados para el usuario a modo de ejemplos, como es la posibilidad de implantar un bloque PID el cual tendremos que ajustar a nuestro caso específico indicando la realimentación, la señal de referencia; la señal controlada el error…etc., además de todos los parámetros habituales del PID como sus términos constantes, integrales y derivativos. 49 Ante la imposibilidad de poder minimizar el programa he tenido que explicar el programa por pequeñas capturas de pantalla y símbolos que explican las conexiones. Figura 48; Bloque PID en el programa principal La señal 1 de la figura 48 hace alusión a la señal de referencia procedente del indicador como consigna previa puesto en el panel Fontal como un control por flechas. Ahora podremos introducir el concepto del tipo de señal de entrada con la que trabajaremos en nuestro sistema; será una señal de entrada tipo escalón, ya que para acelerar y mantener la velocidad constante, es la mejor referencia posible. El indicador 2 de la figura 48 es la señal de salida del sensor ABS, es decir la velocidad del sistema que enfrentaremos a la referencia. La flecha 3 es la salida corregida que llevaremos hacia el bloque de salida, de igual forma que hicimos en la figura 40, salvo que ahora tendremos que programar una secuencia lógica para seleccionar el tipo de modo con el que queremos acelerar, o bien automático o bien manual. 1 2 3 50 Método de Ziegler y Nichols. Antes de empezar con las simulaciones, es necesario definir los parámetros de nuestro PID y el tiempo de respuesta que vamos a obtener con el objetivo que el tiempo que nuestra señal controlada alcance la referencia sea el menor posible. “Ziegler y Nichols propusieron reglas para determinar los valores de la ganancia proporcional Kp, del tiempo integral Ti y del tiempo derivativo Td, basándose en las características de respuesta transitoria de una planta dada. Tal determinación de los parámetros de los controladores PID o sintonía de controladores PID la pueden realizar los ingenieros mediante experimentos sobre la planta.” (Ogata, 2010, pág. 570). Lo que en el libro de Ogata “ingeniera de control moderna”, nos quiere indicar es que Ziegler y Nichols plantean un método experimental de cálculo de PID donde siguiendo una serie de pasos podemos calcular nuestros parámetros del PID; para ser más precisos siguiendo con el método del libro antes mencionado, optaremos por el segundo método ya que nos parece más preciso y el que mejor se ajusta a nuestro caso: “En el segundo método, primero se fija Ti= ∞ y Td=0. Usando sólo la acción de control proporcional (véase la Figura 50), se incrementa Kp desde 0 hasta un valor crítico Kcr, en donde la salida presente oscilaciones sostenidas. (Si la salida no presenta oscilaciones sostenidas para cualquier valor que pueda tomar Kp, entonces este método no se puede aplicar.) Así, la ganancia crítica Kcr y el periodo Pcr correspondiente se determinan experimentalmente ZieglerNichols sugirieron que se establecieran los valores de los parámetros Kp, Ti y Td de acuerdo con la fórmula que se muestra en la Tabla 5.” (Ogata, 2010, págs. 570-571). Figura 49; Sistema en lazo cerrado con controlador proporcional. Recuperado de (Ogata, 2010, pág. 570) 51 Figura 50; Oscilación sostenida con periodo Pcr (Pcr se mide en seg.). Recuperado de (Ogata, 2010, pág. 571) En particular, nosotros no podemos hacer que la Ti sea infinito ya que el programa nos lo impide, así que elegimos un valor muy elevado para ir aumentando la Kcr proporcionalmente. Después de algunos ensayos donde aparentemente no pasaba nada llegamos a un rango de valores donde la señal de salida oscilaba ostensiblemente y lo más importante de todo; esta oscilación se repetía con el tiempo como podemos observar en la imagen 51. Figura 51; Oscilación sostenida. Los valores acertados para conseguir la figura 51 fueron Kcr= 41, Ti= 100000, Td=0, Una unidad menos de Kcr dejaba de producir las oscilaciones, y una Referencia Vel / Vel salida PID Tiempo Vel referencia/ Vel salida planta 52 unidad mas no las hacia mayores, optamos por tanto por esta elección de valores. Para el cálculo de Pcr antes mencionado tuvimos que modificar la escala de tiempo para poder ampliarlo y calcular el tiempo (en segundos) de las oscilaciones: Figura 52; Oscilación sostenida ampliada. El resultado sería un Pcr= 0.01 seg. Con los datos anteriores y continuando el “método segundo” de Ziegler y Nichols podremos calcular todos los parámetros según la tabla 5. Tabla 5; Regla de sintonía de Ziegler-Nichols basada en la ganancia crítica Kcr y periodo crítico Pcr. (Ogata, 2010, pág. 571) Por tanto con los datos obtenidos y apoyándonos de la tabla 5, nuestro PID tendrá unos valores: Tipo de controlador Kp Ti Td P 0.5 ∗ 𝐾𝑐𝑟 ∞ 0 PI 0.45 ∗ 𝐾𝑐𝑟 1 1.2 ∗ 𝑃𝑐𝑟 0 PID 0.6 ∗ 𝐾𝑐𝑟 0.5 ∗ 𝑃𝑐𝑟 0.125 ∗ 𝑃𝑐𝑟 Tiempo Vel referencia/ Vel salida planta 53 Kp= 18.45. Ti= 0.0083. Td=0. (En las conclusiones que veremos más adelante no vemos la necesidad de trabajar con el parámetro diferencial ya que los resultados obtenidos son bastantes buenos). Figura 53; Parámetros en el programa final. Algoritmo de la selección del modo de conducción. En este momento del proyecto nos encontramos con que por fin hemos implementado los dos modos de conducción en el programa de Labview, además de un PID que es bastante estable como mencionaremos en las conclusiones de esta memoria; pero se nos plantea otro problema, ¿Cómo seleccionamos entre los dos modos de conducción? Para ello es necesario recapitular todos los casos donde queremos y no queremos que el autómata tome las riendas. Inicialmente cuando pongamos en marcha todo el conjunto estará por defecto activado el modo de conducción manual, donde si apretamos el accionador (pedal electrónico), el motor acelerará de forma lineal, y solo si nosotros pulsamos el botón de control automático, el controlador tomara el mando, como vemos en la imagen 54 de la vista del panel frontal donde nos encontramos todos los botones e indicadores. 54 Figura 54; Botonera frontal. Esto seguirá así hasta que el usuario pulse el botón de “Stop Autómata” (no se puede quitar el botón “control automático” directamente) o bien pulsemos levemente el pedal del acelerador (al igual que sucede en el modo crucero de algunos vehículos). Todo esto lo hemos logrado implementando un algoritmo basado bastante en la electrónica digital, donde un conjunto de puertas lógicas nos ayudan con la toma de decisiones tanto con la botonera como con el modo del pedal: 55 Figura 55; Selección del modo de aceleración. 56 Verificación del sistema en el banco de ensayos. Una vez conectado todo en el programa final, es hora de ver qué resultados obtenemos, y cómo se comporta todo el sistema en el banco de pruebas, ya que únicamente nos quedaría un parámetro por descubrir; el tiempo de asentamiento (tiempo que se requiere para que la curva de respuesta alcance un rango alrededor del valor final de 2 a 5% y permanezca dentro de él), pero como intuí en las pruebas que constantemente hacía, el variador de frecuencia limita bastante le velocidad de respuesta del motor. Por tanto por más rápido que consigamos sacar la señal de voltaje hacia el variador, este siempre tendrá un retardo (comprensible ya que está pensado para realizar arranques suaves), y he decidido dejar esta parámetro como un control más para que sea el usuario que en cada aplicación, o modelo de variador diferente, elija el tiempo de asentamiento menor, sin que produzca oscilaciones repentinas o saltos bruscos. De manera inicial cuando arrancamos el programa, el sistema inicia el motor a unas revoluciones mínimas ya que por defecto está activado el modo manual de la aceleración. Según pulsamos el pedal hace que aumente la diferencia de tensión captada por el módulo de NI y esto gracias al programa se traduce en una aceleración del motor eléctrico. Como vemos en la imagen 56 según apretamos el actuador, lo capta el módulo de NI y podemos verlo en la gráfica de arriba, además de poder diferenciar la ayuda que supone el filtro de la señal. 57 Figura 56; Respuesta del sistema al accionar el acelerador. La grafica inferior de la figura 56 corresponde a la diferencia de tensión que se produce en el sensor ABS al pasar entre diente y diente la caída de 5 V a 0 V. Si cambiamos de modo, algo que conseguimos después de activar el botón del panel frontal “Control automático” y ponemos una consigna inicial de 0 RPM, el motor se parará como es lógico, entonces podremos aplicarle un salto hasta la velocidad que nosotros queramos, en este caso 3.000 RPM Vemos en la figura 57 como responde nuestro sistema ante una variación de la aceleración desde 0 RMP hasta las 3.000 RPM: Tiempo Tiempo 64 65 Anexos. Anexo – 1. Hojas de características cdaq-9174 66 67 Figuras 61, 62, 63; Resultados de modificar la acción Proporcional. Recuperado de http://www.ni.com/es-es/support/model.cdaq-9174.htmlr 68 Anexo –2. Hojas de características NI-9220 69 70 Figuras 64,65, 66; Resultados de modificar la acción Proporcional. Recuperado de http://www.ni.com/en-us/support/model.ni-9220.html 71 Anexo –3. Hojas de características NI-9263 72 73