Fuzzy- Victor 2000

PROYECTO FIN DE CARRERA

UNIVERSIDAD DE SALAMANCAE.T.S. DE INGENIERIA INDUSTRIAL DE BEJAR

AUTOR: Vctor Manuel Rodrguez Castellano

TUTOR: Sebastin Marcos Lpez

CONTROL FUZZY DE UN MOTORCONTROL FUZZY DE UN MOTOR

DE CORRIENTE CONTINUADE CORRIENTE CONTINUA

NDICENDICE

1.- DESCRIPCIN GENERAL2.- FUNDAMENTOS FUZZY3.- DESCRIPCIN DEL HARDWARE4.- DESCRIPCIN DEL SOFTWARE5.- ENSAYOS Y PRUEBAS

REALIZADAS

1. DESCRIPCI1. DESCRIPCIN GENERALN GENERAL

La LOGICA FUZZY ha contribuido

notablemente a conseguir que un

sistema de control razone de forma

parecida a un ser humano.

Objetivo del proyecto:Objetivo del proyecto:

El objetivo del proyecto es el estudio, diseo y

realizacin prctica de un sistema de control Fuzzy

(borroso) para regular la velocidad de un motor de

corriente continua.

Vamos a comprobar que un controlador borroso es

robusto y de mayor precisin y prestaciones que los PID

SISTEMA DE CONTROL

PROCESO

TARJETACOMPUTADOR

error+

Ref.CONTROL

FUZZY

D

A

AMPLI.

POTENCIA

MOTOR

C.C.

TACODINAMOA

D

SISTEMA DE CONTROL

2. FUNDAMENTOS DEL 2. FUNDAMENTOS DEL CONTROL FUZZYCONTROL FUZZY

1.- LGICA FUZZY.

2.- CONTROLADORES FUZZY.

3.- APLICACIONES.

LLGICA GICA FUZZYFUZZY

La Lgica Convencional

solo acepta estados de

verdadero y falso.

VERDADERO

FALSO

1

0

SI

NO


Por ejemplo, si

consideramos la

temperatura ideal como

22C, quedarn

automticamente

excluidas las temperaturas

de 21C y 23C.

LLGICA GICA FUZZYFUZZYEl sistema dar la

misma respuesta para

una temperatura de

21C y una de 12C


Sin embargo, dar

respuestas muy diferentes

para 21C y para 22C.

Esto implica que el

sistema aumenta el gasto

de energa para mantener

una temperatura de

consigna dada.

LLGICA GICA FUZZYFUZZYEn la Lgica Clsica

no existen estados

intermedios entre los

estados verdadero y

falso.

ALTOALTO

BAJOBAJO


Sin embargo, el

hombre matiza sus

expresiones de

acuerdo con su

experiencia y entorno

cultural.

.

... MUY FRGIL

... LIGERAMENTE FRIO

... DEMASIADO RPIDO

... BASTANTE GRANDE

... MUCHO CALOR


La Lgica Fuzzy

conforma un lenguaje

para trabajar con

informacin

imprecisa.


La Lgica Fuzzy tiene en

cuenta incertidumbres y

conceptos vagos y los

grada entre 0 y 1.

0=no cumple la CONSIGNA

1=si cumple la CONSIGNA


As se establece el grado

de pertenencia de un

elemento en un conjunto.

Un elemento puede

pertenecer a dos conjuntos

en diferente grado.2,25 1,75 1,70 1,55 1,50 1,30


En el ejemplo, la estatura

es una VARIABLE

FUZZY.

Relacionando la

VARIABLE con sus

grados de pertenencia, se

desarrolla la funcin de

pertenencia

LLGICA GICA FUZZYFUZZYLlamaremos

ETIQUETA a un

Conjunto FUZZY

determinado.

Habitualmente se usan por

cada VARIABLE de 3 a 7

ETIQUETAS

ControladoresControladoresFuzzyFuzzy

FUZZ

IFIC

AC

ION

SELE

CC

IN

APL

ICA

CI

N

CO

NC

LUSI

ON

DEF

UZZ

IFIC

AC

ION

SUPERVISION

Consigna

Valor

error

Variacinerror

EtiquetasFunciones de pertenencia

Tabla de reglas

Modelo lingsticoUniverso de discurso

ALGORITMO FUZZY:ALGORITMO FUZZY:

K1

K2

K3

Control

FuzzyficationFuzzyfication

Universo de Discurso

Etiquetas lingsticas

Funcin de pertenencia

FuzzyficaciFuzzyficacinnCalcular el grado de

pertenencia de las

variables de entrada

a cada una de las

etiquetas lingsticas

ETIQUETAS

PG: Positivo Grande

PP: Positivo Pequeo

ZE: Cero

NP: Negativo Pequeo

NG: Negativo Grande

SelecciSeleccin de n de ReglasReglas

Las relaciones entre las

variables FUZZY se

establecen mediante

reglas condicionales del

tipo IF-THEN sin tener en

cuenta el porqu de su

comportamiento.

TABLA DE REGLAS

SelecciSeleccin de n de ReglasReglas

Tras haber

traducido los

valores de la

entrada a valores

borrosos, se pasa a

aplicar aquellas

reglas que puedan

ser disparadas

NG NP ZE PP PGNG NG NG NG NP PGNP NG NG NP PP PGZE NG NP ZE PP PGPP NG NP PP PG PGPG NG PP PG PG PG

E

CE

If E=ZE and CE=ZE then U=ZE

If E=PG and CE=NP then U=PP

AplicaciAplicacin de n de ReglasReglas

En este paso se procede a la

asignacin de los valores de las funciones de

pertenencia de cada regla.

Se valora el peso de la accin de

control

DefuzzificaciDefuzzificacin.n.ConclusiConclusin numn numricarica

En esta etapa se trata de traducirlos valores Fuzzy a valores concretos

vlidos para la salida del sistema

de control.

Mtodo del Centro de Gravedad

valor de la salida =

i ii

N

i

i

N

d=

=

1

1

Aplicaciones Del Control Aplicaciones Del Control FuzzyFuzzy

Dnde encontramos el control fuzzy en la prctica?

Aplicaciones Aplicaciones FuzzyFuzzy

Vdeo cmara con sistema

estabilizador de imagen controlado

por un sistema FUZZY


Complejos

acoplamientos

entre vehculos

espaciales


Sistema FUZZY de

control de balanceo

de la carga aplicado

a grandes gras.


Tecnologa FUZZY

aplicada al control

del nivel de

lquidos

Aplicaciones Aplicaciones FuzzyFuzzyControl de

complicados sistemas de

dosificacin con alto ndice de

riesgo de perturbaciones.

Otras Aplicaciones :Otras Aplicaciones :

Control automtico de compuertas para centrales hidroelctricas.

Control simplificado de robots.

Seguimiento de objetos por videocmara.

Previsin de fluctuaciones de temperatura en sistemas de aire acondicionado.

Control de trfico.

3. Descripci3. Descripcin Del n Del HardwareHardware

1.- Generalidades.

2.- Motor de corriente continua.

3.- Tacodinamo.

4.- Tarjeta de adquisicin.

Hardware UtilizadoHardware Utilizado1.-IBM PC 486 a 33 Mhz.

2.- Maqueta MV-541

Motor de corriente continua

Tacodinamo

Amplificador

3.- Tarjeta de adquisicin de datos PCL-812 PG.

4.- Regletero

Detalle de la maqueta MVDetalle de la maqueta MV--541541::

Motor de Motor de Corriente ContinuaCorriente Continua

CARACTERSTICAS PRINCIPALES:

Tensin de alimentacin: 12 voltiosConsumo de corriente (nominal): 0.6 amperios

Velocidad nominal: 1200 r.p.m.

Curva CaracterCurva Caractersticastica

(rpm)

V

-5 -2 2 5

600450300150

Tensin (V) (r.p.m.)

1 0

3 180

4 300

5 395

6 490

NO LINEAL

Sensor De Velocidad Sensor De Velocidad --TacodinamoTacodinamo--

- La tensin en la salida de la tacodinamo

es directamente proporcional a la

velocidad de rotacin.

Sensibilidad de la Tacodinamo:

(r.p.m.) Vtacodinamo (v)270 2412 3542 4829 6863 6.25

S = 7.3275 mV/r.p.m.

Tarjeta De AdquisiciTarjeta De Adquisicin n PCLabPCLab--812 812 PgPg

Direccin base programable (0x200..0x3f0).

16 canales de entrada digital .

16 canales de salida digital.

16 canales de entradas analgicas (Multiplexadas). Resolucin de conversin: 12 bits.

Rango de entrada : bipolar programable (+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V, +/-0.625V, +/-0.3125V).

Modos de disparo: control por programa.

Control desde la tarjeta.

Control externo.

2 canales de salidas analgicas (No multiplexadas). Resolucin de conversin: 12 bits.

Rango de salida: programable (0...+5V 0..+10V)

Tarjeta De AdquisiciTarjeta De Adquisicin n PCLabPCLab--812 812 PgPg

Conectores:Conectores:

A/D0 1 2 A.GNDA/D1 3 4 A.GNDA/D2 5 6 A.GNDA/D3 7 8 A.GNDA/D4 9 10 A.GNDA/D5 11 12 A.GNDA/D6 13 14 A.GNDA/D7 15 16 A.GNDA/D8 17 18 A.GNDA/D9 19 20 A.GND

A/D10 1 2 A.GNDA/D11 3 4 A.GNDA/D12 5 6 A.GNDA/D13 7 8 A.GNDA/D14 9 10 A.GNDA/D15 11 12 A.GND D/A1 13 14 A.GND D/A2 15 16 A.GNDV.REF1 17 18 A.GNDV.REF2 19 20 A.GND

CN1 CN2

4. Descripci4. Descripcin Del Softwaren Del Software

1.- Lenguaje de programacin.

2.- Algoritmo de control fuzzy.

3.- Descripcin del programa.

Lenguaje Lenguaje De ProgramaciDe Programacinn

Lenguaje estructurado. Muy popular. Propsito general. Portable. Nivel medio

Algoritmo De Control Algoritmo De Control FuzzyFuzzy

confuzzy.exe

Algoritmo de Control Fuzzy:

Variable de control discretizada en un universo de discurso entre 0 y 4095.

Las funciones de pertenencia son de tipo trapezoidal.


Los trminos lingsticos son: PG (positivo grande)

PP (positivo pequeo)

ZE (cero)

NG (negativo grande)

NP (negativo pequeo)


Variables de entrada: E (error)

E (variacin del error)

Variable de salida: U (tensin de control)


Reglas utilizadas:{EPP, VEPG, APG}, {ENG, VEPP, ANG},{EPG, VENP, APG},{ENG, VENG, ANG},{ENG, VEPG, ANP},

{ENP, VENP, ANG},{EZ, VEPP, AZ},{EPP, VENG, AZ},{EPG, VENG, APP},{EPG, VEPG, APG},

{ENG, VENP, ANG},{ENP, VEPG, AZ},{EZ, VEPG, APP},{EPP, VEZ, APP},{EPG, VEZ, APG},

{ENG, VEZ, ANG},{EZ, VENG, ANP}{ENP, VENG, ANG},{ENP, VEZ, ANP},{EZ, VENP, AZ},

{EZ, VEZ, AZ},{EPP, VENP, APP},{EPP, VEPP, APP}, {ENP, VEPP, ANP},{EPG, VEPP, APG}

DescripciDescripcin n DelDel

ProgramaPrograma

Diagrama De Flujo Del ProgramaDiagrama De Flujo Del ProgramaCONFUZZY.EXE

PRESENTACIN

MEN PRINCIPAL

TARJETA ADQUISICIN

SELECCINENTRADA REFERENCIA

CONTROLFUZZY

PRESENTACINRESULTADOS INICIO AYUDA SALIR

SELECCINCANAL

ENTRADA

SELECCIN CANALSALIDA

ESCALN RAMPA

TRENRECTANGULAR

SELECCINDE

REGLAS

GRFICAS: -ENTRADA -SALIDA -CONTROL

CONTROL

TIEMPODE

MUESTREO

MEN PRINCIPAL

Pantalla De PresentaciPantalla De Presentacinn

MenMen PrincipalPrincipal

MenMen De SelecciDe Seleccin De Entrada De n De Entrada De ReferenciaReferencia

1.1.-- EscalEscalnn

2.2.-- RampaRampa

3.3.-- Tren RectangularTren Rectangular

Tarjeta De AdquisiciTarjeta De Adquisicinn

Control FuzzyControl Fuzzy

InicioInicio

PresentaciPresentacin De Resultadosn De Resultados

5. Ensayos Y Pruebas 5. Ensayos Y Pruebas RealizadasRealizadas

1.- Seleccin de reglas.2.- Diseo del controlador fuzzy3.- Seleccin del perodo de muestreo.4.- Comparacin de la respuesta a diferentes

entradas.5.- Robustez del sistema ante variaciones en los

parmetros.6.- Sensibilidad a ruido y perturbaciones.7.- Control en la zona no lineal.8.- Conclusiones.

SelecciSeleccin De Reglasn De Reglas

Cules son las tres mejores reglas?

Entrada Elegida:

TIPO DE ENTRADA: tren rectangular

AMPLITUD: 5 voltios

TIEMPO ENSAYO: 20 seg.

T_on: 0.5 seg.

T_off: 0.5 seg.

TIEMPO MUESTREO: 10 ms.

Ensayo 1: REGLAS ELEGIDAS:

{EPG, VENG, APP} {EZ, VENG, ANP} {ENP, VEPP, ANP}


{EPP, VEPG, APG} {ENP, VENG, ANG} {EPG, VENG, APG}


{EPP, VEPG, APG} {ENG, VEPP, ANG} {EPG, VENP, APG}

DISEDISEO DEL O DEL REGULADOR FUZZYREGULADOR FUZZY

Cul es la forma de la tensin de control?

Tres tipos de tensin de control:

tensin fuzzy

tensin fuzzy + k*V_ref

tensin fuzzy + kp*error

Tensin de control= V_fuzzy

Tensin de control= V_fuzzy+1.5*V_ref

Tensin de control= V_fuzzy+kp*error

SELECCISELECCIN DEL N DEL PERPERODO DE MUESTREOODO DE MUESTREO

Cul es el tiempo de muestreo ptimo?

Entrada elegida:

TIPO DE ENTRADA: Tren rectangular

AMPLITUD: 5 voltios


t_on: 2 seg.

t_off: 2 seg.

Tiempo de muestreo=100 ms

MEDIDA DE LA MEDIDA DE LA ROBUSTEZ DEL SISTEMA ROBUSTEZ DEL SISTEMA ANTE VARIACIONES EN ANTE VARIACIONES EN

LOS PARLOS PARMETROSMETROS

Cambios en la ganancia de cadena directa:cambios OFF-LINEcambios ON-LINE

Entrada elegida:

TIPO DE ENTRADA: Escaln

AMPLITUD: 2 voltios



Cambios OFF-LINE:- duplicamos la ganancia de cadena directa

Cambios ON-LINE:- variamos la ganancia de cadena directa en

funcionamiento.

SENSIBILIDAD DEL SENSIBILIDAD DEL SISTEMA A RUIDO Y SISTEMA A RUIDO Y

PERTURBACIONES EN LA PERTURBACIONES EN LA MEDIDAMEDIDA

Respuesta del sistema con y sin filtro en el sensor.

Respuesta ante una perturbacin en el eje del motor.

Entrada elegida:


AMPLITUD: 3 voltios



Control con filtro en la tacodinamo:

Control sin filtro en la tacodinamo:

Perturbacin variable en el eje del motor(ON-LINE):

CONTROL EN LA ZONA CONTROL EN LA ZONA NO LINEALNO LINEAL

Curva caracterstica del motor:

(rpm)

V

-5 -2 2 5

600450300150

Existe una zona no lineal en la curva caracterstica del motor.

Entrada elegida:


AMPLITUD: 0.5 voltios



Control borroso del sistema en la zona de caracterstica no lineal.

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

Robustez y estabilidad. Buena tolerancia al ruido. Igual o mayor precisin que los

controladores convencionales. Rapidez de respuesta. Controla incluso en zonas no

lineales.

NDICE1. DESCRIPCIN GENERALObjetivo del proyecto:SISTEMA DE CONTROLSISTEMA DE CONTROL2. FUNDAMENTOS DEL CONTROL FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYLGICA FUZZYControladoresFuzzyFuzzyficationFuzzyficacinSeleccin de ReglasSeleccin de ReglasAplicacin de ReglasDefuzzificacin.Conclusin numrica Aplicaciones Del Control FuzzyAplicaciones FuzzyAplicaciones FuzzyAplicaciones FuzzyAplicaciones FuzzyAplicaciones FuzzyOtras Aplicaciones :3. Descripcin Del HardwareHardware UtilizadoMotor de Corriente ContinuaCurva CaractersticaSensor De Velocidad -Tacodinamo-Sensibilidad de la Tacodinamo:Tarjeta De Adquisicin PCLab-812 PgTarjeta De Adquisicin PCLab-812 PgConectores:4. Descripcin Del SoftwareLenguaje De ProgramacinAlgoritmo De Control Fuzzy Algoritmo de Control Fuzzy: Algoritmo de Control Fuzzy: Algoritmo de Control Fuzzy: Algoritmo de Control Fuzzy: Algoritmo de Control Fuzzy:Descripcin Del ProgramaDiagrama De Flujo Del ProgramaPantalla De PresentacinMen PrincipalMen De Seleccin De Entrada De Referencia1.- Escaln2.- Rampa3.- Tren RectangularTarjeta De AdquisicinControl FuzzyInicioPresentacin De Resultados5. Ensayos Y Pruebas RealizadasSeleccin De ReglasEntrada Elegida:Ensayo 1:Ensayo 2:Ensayo 3:DISEO DEL REGULADOR FUZZYTensin de control= V_fuzzyTensin de control= V_fuzzy+1.5*V_refTensin de control= V_fuzzy+kp*errorSELECCIN DEL PERODO DE MUESTREOEntrada elegida:Tiempo de muestreo=100 msTiempo de muestreo=30 msTiempo de muestreo=10 msMEDIDA DE LA ROBUSTEZ DEL SISTEMA ANTE VARIACIONES EN LOS PARMETROSEntrada elegida:Cambios OFF-LINE:- duplicamos la ganancia de cadena directaCambios ON-LINE:- variamos la ganancia de cadena directa en funcionamiento.SENSIBILIDAD DEL SISTEMA A RUIDO Y PERTURBACIONES EN LA MEDIDAEntrada elegida:Control con filtro en la tacodinamo:Control sin filtro en la tacodinamo:Perturbacin variable en el eje del motor(ON-LINE):CONTROL EN LA ZONA NO LINEALCurva caracterstica del motor:Entrada elegida:Control borroso del sistema en la zona de caracterstica no lineal.CONCLUSIONES

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