Diseño e implementación de un sistema didáctico de laboratorio para las asignaturas del área de automática. Control de posición

Abstract

Este proyecto aborda el diseño e implementación de un sistema didáctico para el estudio del control de posición mediante un controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID). El objetivo principal es la modelización de un sistema que regula el ángulo de salida de un motor, permitiendo al usuario visualizar cómo los parámetros Kp, Ki y Kd del controlador afectan la respuesta para alcanzar el ángulo deseado. Se busca facilitar una comprensión accesible y dinámica del funcionamiento del controlador PID y el ajuste de sus parámetros para lograr un sistema estable y preciso. El desarrollo se estructura en una fundamentación teórica sobre los controladores PID y sus componentes, y una implementación práctica que comprende dos partes principales. Primero, una maqueta física portátil construida con un motor JGA25-371, una placa Arduino Mega 2560 REV3, un Arduino Motor Shield REV3 y una pantalla táctil TFT de 2,8 pulgadas para la interacción directa y ajuste de parámetros. Se detalla el montaje de estos componentes y la programación en lenguaje Arduino para el funcionamiento autónomo de la maqueta. Segundo, se desarrolla una aplicación de escritorio en Python con una interfaz gráfica de usuario, utilizando Spyder y Qt Designer. Esta aplicación permite la configuración remota de los parámetros del controlador PID, la visualización en tiempo real de la respuesta del sistema tanto en la maqueta como en el PC, y el registro de datos para su posterior análisis cuando la maqueta está conectada a un ordenador. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos, mostrando gráficamente cómo las variaciones en los parámetros del controlador PID influyen en la respuesta del sistema de control de posición. Se concluye que el sistema didáctico implementado, compuesto por la maqueta y la interfaz de PC, constituye una herramienta eficaz para la enseñanza y experimentación práctica de los principios de control PID

This project addresses the design and implementation of a didactic system for the study of position control using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller. The main objective is to model a system that regulates the output angle of a motor, allowing the user to visualize how the Kp, Ki, and Kd parameters of the controller affect the response in achieving a desired angle. It aims to facilitate an accessible and dynamic understanding of PID controller operation and parameter adjustment to achieve a stable and precise system. 3

The development is structured into a theoretical foundation regarding PID controllers and their components, and a practical implementation comprising two main parts. First, a portable physical model was built using a JGA25-371 motor, an Arduino Mega 2560 REV3 board, an Arduino Motor Shield REV3, and a 2.8-inch TFT touch screen for direct interaction and parameter adjustment. The assembly of these components and programming in Arduino language for the autonomous operation of the model are detailed. Second, a desktop application was developed in Python with a graphical user interface (GUI), using Spyder and Qt Designer. This application allows remote configuration of the PID controller parameters, real-time visualization of the system's response on both the model and the PC, and data logging for subsequent analysis when the model is connected to a computer. Finally, the obtained results are presented, graphically showing how variations in the PID controller parameters influence the position control system's response. It is concluded that the implemented didactic system, consisting of the model and the PC interface, constitutes an effective tool for teaching and practical experimentation with PID control principles.