Difuso Granado-Angel 28-06-11

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Controlador de Procesos Basado en Lógica Difusa implementado en un Microcontrolador(Process Controller Based on Fuzzy Logic implemented in a Microcontroller)

A. Granado y A. CustodioUniversidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Puerto Ordaz, Venezuela,

[email protected]

Se diseñó e implementó un controlador de procesos para nivel basado en lógica difusa, usando un

microcontrolador PIC18F4550. En la fase de diseño se construyó una maqueta para el control de nivel, secaracterizó el algoritmo de control difuso, y luego se diseñó y simuló un programa en el cual se

implementó este . Siempre partiendo de la premisa de que debía funcionar en el microcontrolador. Se

diseñó el hardware del controlador difuso como también el hardware de los circuitos deacondicionamiento necesarios para la conexión del controlador difuso con la maqueta. Posteriormente, en

la fase de implementación se fabricó la maqueta para el control de nivel, las tarjetas PCB asociadas al

controlador difuso y a los circuitos de acondicionamiento. Finalmente, se realizaron distintas pruebas alcontrolador difuso conectándolo a la maqueta utilizada para el control de nivel, y se procesaron los datos

resultantes. Luego de realizar todas las pruebas se pudo comprobar el buen funcionamiento del controlador

difuso y su capacidad de controlar el nivel de agua del tanque de control de la maqueta utilizada para elcontrol de nivel ,con un tiempo de establecimiento máximo de 34,2 segundos, y un error de estado estable

máximo de ±1.96.

Palabras Claves: Controlador Difuso, Diseño con Microcontrolador, Control de Nivel.



Controlador de Procesos Basado en Lógica Difusa Implementado en un Microcontrolador

A. Granado y A. CustodioUniversidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Puerto Ordaz, Venezuela,

[email protected]

R ESUMEN

Se diseñó e implementó un controlador de procesos para nivel basado en lógica difusa, usando unmicrocontrolador PIC18F4550. En la fase de diseño se construyó una maqueta para el control de nivel, se

caracterizó el algoritmo de control difuso, y luego se diseñó y simuló un programa en el cual se

implementó . Siempre partiendo de la premisa de que debía funcionar en el microcontrolador. Se diseñó elhardware del controlador difuso como también el hardware de los circuitos de acondicionamiento

necesarios para la conexión del controlador difuso con la maqueta. Posteriormente, en la fase de

implementación se fabricó la maqueta para el control de nivel, las tarjetas PCB asociadas al controlador difuso y a los circuitos de acondicionamiento. Finalmente, se realizaron distintas pruebas al controlador

difuso conectándolo a la maqueta utilizada para el control de nivel, y se procesaron los datos resultantes.

Luego de realizar todas las pruebas se pudo comprobar el buen funcionamiento del controlador difuso y sucapacidad de controlar el nivel de agua del tanque de control de la maqueta utilizada para el control de

nivel ,con un tiempo de establecimiento máximo de 34,2 segundos, y un error de estado estable máximo de±1,96.

Palabras Claves: Controlador Difuso, Diseño con Microcontrolador, Control de Nivel.

ABSTRACT

Was designed and implemented a process controller for fuzzy logic-based level, using a PIC18F4550microcontroller. In the design phase a model was built to control level, characterized the fuzzy control

algorithm and then designed and simulated a program which was implemented this. Always on the

premise that it should run on the microcontroller. Was designed the fuzzy controller hardware as well asthe hardware of the conditioning circuits required to connect fuzzy controller with the model. Later in the

implementation phase of the model was made to control level, the PCB cards associated with fuzzy

controller and the conditioning circuits. Finally, was conducted various tests to fuzzy controller by

connecting it to the model used for level control, and processed the resulting data. After performing alltests could verify the proper functioning of the fuzzy controller and its ability to control the water level

control tank of the model used for level control, with a maximum settling time of 34.2 seconds and a

maximum steady-state error of ± 1.96.

Keywords: Fuzzy Controller Design with Microcontroller, Level Control.

I. INTRODUCCIÓN

Actualmente, el pensum de ingeniería electrónica de la UNEXPO Puerto Ordaz no posee alguna materiaque imparta conocimientos básicos y significativos sobre la lógica difusa, aun cuando esta técnica es

ampliamente utilizada en sistemas de control. Marcano propuso el diseño de un algoritmo de control

difuso basado en una estructura PID [1]. En este trabajo se diseña y compara controladores PIDconvencionales, controladores PID difusos, y controladores híbridos su funcionamiento y el desempeño de

los mismos. Parra [2] diseñó e implementó un sistema de control genérico aplicando la teoría de lógica



difusa con interfaz de usuario en Labview 7.1. Rodriguez [3] diseñó un algoritmo de control difuso para un

sistema tanque calentador con agitación continua . Moncada [4] implementó un controlador difusogenérico para sistemas de control. Seaton [5] diseó e implementó un controlador difuso de nivel y

temperatura para aplicaciones didácticas usando Labview 8.5.

En este artículo se diseña e implementa un controlador basado en lógica difusa, usando unmicrocontrolador PIC18F4550, aplicado a sistemas de control de nivel, con la finalidad de, a través del

software y hardware diseñados, introducir y desarrollar el tema de la lógica difusa en la comunidad

estudiantil.

II. DESAROLLO

1. EL HARDWARE Y EL SOFTWARE

En la figura 1 se muestra el diagrama en bloques del circuito. Este controlador consta de dos entradas:

Entrada de Referencia y Entrada de Realimentación, y tres salidas: Salida PWM, Salida Paralela de 8 Bitsy Salida de 4mA-20mA (figura 2). Adicionalmente, consta de tres botones de configuración (Enter, Subir,

Bajar) y una pantalla LCD para su visualización.

De manera general, el controlador trabaja con una alimentación derivada del voltaje de la red domestica(110V/60Hz) proporcionando así una alimentación de 5V para el microcontrolador PIC18F4550 y la

pantalla LCD.El funcionamiento del controlador difuso es el siguiente: Se toman las señales de entrada (Referencia y

Realimentación) y se convierten de analógicas a digitales con el conversor A/D interno delmicrocontrolador, luego estos registros (8 Bits) se restan para así obtener el error actual del proceso. Estos

tres registros (Vtank, Vref, Verror) pasan por la etapa de fusificación donde se calcula el grado de

pertenencia de cada registro.Posteriormente, esta información es utilizada por la base de conocimiento (Base de Datos y Conjunto de

Reglas Difusas) del controlador para elegir la acción o respuesta más adecuada. Luego se procede a la

desfusificación (método del centroide) de la salida del controlador (Salida Paralela de 8 Bits) que seráenviada al circuito almacenador de datos y al circuito de acondicionamiento de 4mA-20mA.

Esta salida también es convertida internamente en una señal PWM (SALIDA) con una frecuencia de 2 Hz

la cual luego de pasar por su respectivo circuito de acondicionamiento estará controlando el flujo de la bomba.

Para el algoritmo de control se toman las siguientes variables de entrada: Entrada de Referencia, Entrada

de Realimentación, y el error resultante de la resta de las entradas mencionadas anteriormente. Estas tres

entradas (Vtank, Vref, Verror) pasan por la etapa de fusificación donde se calcula el grado de pertenenciade cada registro. Posteriormente, esta información es utilizada por la base de conocimiento (Base de Datos

y Conjunto de Reglas Difusas) del controlador para elegir la acción o respuesta más adecuada haciendo

uso de la t-norma. Luego se procede a la desfusificación de la salida del controlador. El método dedesfusificación utilizado es el centroide.



Figura 1. Diagrama de bloques del circuito de prueba para el sistema de control de nivel.



Figura 2. Circuito del Controlador Difuso, sin incluir las etapas de acondicionamiento ni salida 4 mA a 20

mA.

En la figura 3 se muestra un diagrama de bloques de la caracterización del sistema de control difuso

explicado anteriormente.

Figura 3. Diagrama de bloques de la caracterización del sistema de control difuso.

Los conjuntos difusos usados se muestran en las figuras 4 y 5.



Figura 4. Conjuntos difusos de entrada predeterminados del controlador difuso

Figura 5. Conjuntos difusos de salida predeterminados del controlador difuso

Que vienen de las reglas difusas indicadas en la figura 6 y 7.



Figura 6. Reglas difusas predeterminadas (salida pwm)

Figura 7. Reglas difusas predeterminadas (Salida 8 Bits)

2. RESULTADOS

Las simulaciones del controlador difuso fueron realizadas en el software Proteus Profesional 7.2, y loscircuitos con el software PSPICE 9.2.

La prueba experimental se basó en variar la entrada de referencia en tres posiciones y observar el

comportamiento del controlador difuso. La prueba comienza colocando el valor de entrada de referenciaen 50% (Vref = 50%) y el tanque de control vacio (Vtank= 0%), y se espero la estabilización del sistema.

Luego de que el sistema se estabilizó, se incremento el valor de Vref hasta 75% y se espero la

estabilización del sistema. Finalmente, se decrementó el valor de Vref hasta 25%, y se espero la

estabilización del sistema (Figura 8).



Figura 8. Respuesta temporal del sistema de control de nivel

En la prueba de la figura 8 se pudo observar que el controlador difuso logra la estabilización del sistema decontrol de nivel. En la primera parte de la prueba, la entrada de referencia tiene un valor de 50% y el

controlador difuso estabiliza el nivel de agua del tanque de control en un tiempo aproximado de 25

segundos sin producir un sobre-impulso en la respuesta temporal del sistema. En la segunda parte de la prueba, la entrada de referencia se incremento a un valor de 75% y el controlador difuso estabiliza el nivel

de agua del tanque de control en un tiempo aproximado de 20 segundos si producir ningún sobre-impulso

en la respuesta temporal del sistema. Finalmente, la entrada de referencia se decremento a un valor de 25%y el controlador difuso estabiliza el nivel de agua del tanque de control en un tiempo aproximado de 35

segundos, nuevamente sin producir un sobre-impulso en la respuesta temporal del sistema. El mayor error

de estado estable obtenido en esta prueba fue de ± 1,96.

Se puede resumir que se obtuvo un maximo sobre-impulso de 0 s, un tiempo de establecimiento de 34,2 sy un error de estado estable de 1,96.

III. CONCLUSIONES

Se realizó la caracterización del algoritmo de control difuso y su implementación en un microcontrolador

PIC18F4550, quedando un prototipo con el que se obtuvo un tiempo de establecimiento máximo de 34,2segundos y un error de estado estable máximo de ± 1,96 %.

IV. R EFERENCIAS

1) Marcano, C. y Saturno, S. Diseño de un algoritmo de control difuso basado en una estructura PID.

Trabajo de Grado. UNEXPO Vice-rectorado Puerto Ordaz, Venezuela. 2005.

2) Parra, M. y Surga, R. Diseño e implementación de un sistema de control genérico aplicando la teoríade lógica difusa con interfaz de usuario en Labview 7.1. Trabajo de Grado. UNEXPO Vice-rectorado

Puerto Ordaz, Venezuela. 2007.



3) Rodríguez, A. y Saturno, S. Diseño de un algoritmo de control difuso para un sistema tanque

calentador con agitación continua. Trabajo de Grado. UNEXPO Vice-rectorado Puerto Ordaz,Venezuela. 2007.

4) Moncada, T. y Surga, R. Implementación de un controlador difuso genérico para sistemas de control.

Trabajo de Grado. UNEXPO Vice-rectorado Puerto Ordaz, Venezuela. 2008.5) Seaton, A. y Surga, R. Diseño e implementación de un controlador difuso de nivel y temperatura para

aplicaciones didácticas usando Labview 8.5. Trabajo de Grado. UNEXPO Vice-rectorado Puerto

Ordaz, Venezuela. 2009.

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