Diseño de controladores de tipo proporcional integral derivativo (PID) y difuso para la posición de un motor de corriente continua (DC)

PID and Fuzzy Controller Design for DC Motor Positioning

En este artículo se compara el desempeño de dos controladores —el proporcional integral derivativo (PID) y el difuso— sobre una plataforma comercial, utilizada normalmente en aeromodelismo, el servomotor Futaba S3004. Antes de realizar la identificación sobre el motor, se modifican el circuito de control, la etapa de potencia y el sensor. Enseguida se utiliza el método del lugar de las raíces para sintonizar el PID en el control de la posición angular. Las simulaciones y el control se realizan desde Simulink de MATLAB®, en lo cual se usa además una tarjeta de adquisición de datos, la PCI 6024E. Al final del documento se analizan los resultados y se observa que si bien el controlador PID tiene el mejor comportamiento, el del controlador difuso es comparable.

INTRODUCCIÓN

En una aplicación industrial, cuando se necesita regular la posición angular, por lo general la primera opción es un motor de corriente continua (DC, por su sigla en inglés) (Abroshan et al., 2008); además, si la carga es pequeña, los motores de imán permanente son los más comunes. La alternativa siguiente son los motores paso, pero estos requieren un circuito electrónico especializado para la activación y desactivación de sus bobinas (Ngoc, Jung y Jae, 2006). Por otra parte, el modelado de un motor DC se ha trabajado tanto que resulta común en los textos de control de sistemas dinámicos. Estas son algunas de las razones por las cuales se selecciona al motor DC para el trabajo en este artículo. Aun con todas las ventajas, la sencillez de operación del motor no deja cerrado el problema de la selección del controlador, el cual depende de la aplicación del motor, según se plantea en (Susperregui, Tapia y Tapia, 2007).

El primer paso en este trabajo fue seleccionar un servomotor comercial: en este caso el S3004 de Futaba. Con este servomotor se comparó el desempeño entre su funcionamiento normal y el que tiene cuando se reemplaza el controlador propio por uno de tipo proporcional integral derivativo (PID) y otro difuso, los cuales son diseñados por los autores. 

El torque de salida del servomotor es de 0,314 a 0,402 Nm, para voltajes de alimentación de 4,8 a 6 V, respectivamente. La medida de la posición angular se realiza mediante un juego de engranajes, acoplados al eje del motor, y con un potenciómetro, el cual entrega una salida de voltaje, en el rango de trabajo, esto es, de 0° a 180°. Otras opciones comunes para medir la posición angular, aunque menos económicas, son los sensores inductivos, los resolvers y los encoders (Attaianese y Tomasso, 2007; Faccio et al., 2004).

Una de las características sobresalientes de este estudio es la realización del control en tiempo real, mediante la tarjeta de adquisición de datos PCI 6024E, de National Instruments, cuya tasa de muestreo máxima es de 200 kS/s; sin embargo, la tasa utilizada es de 5.000 muestras por segundo por cada canal; además tiene 16 entradas análogas y 2 salidas análogas con conversores de 12 bits; también tiene 8 líneas digitales, las cuales pueden configurarse como entradas o salidas.