Diseño e implementación de un sistema de control PID de ajuste automático basado en datos aplicado a un Motor DC de excitación independiente

En el diseño de los sistemas de control, una de las etapas más complejas es el modelamiento matemático, debido a la complejidad de los procesos industriales. Por lo tanto, en este trabajo se presenta un método para sintonizar de forma óptima y automática las ganancias de un controlador PID para sist...

Full description

Autores:: Imbacuan Molina, Jhoan Steeven

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2025

Institución:: Universidad de Ibagué

Repositorio:: Repositorio Universidad de Ibagué

Idioma:: spa

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El método se usó para controlar la velocidad angular de un motor DC con excitación independiente en todo su rango de velocidades. Los resultados obtenidos muestran que el controlador DD-PID E-FRIT es un método de sintonización de controladores PID efectivo y preciso. Se logró controlar la velocidad angular de un motor DC con excitación independiente para diferentes puntos de operación con un desempeño óptimo, comparado con un controlador PID de velocidad clásico.In control system design, one of the most complex stages is mathematical modeling, due to the complexity of industrial processes. Therefore, this paper presents a method for optimally and automatically tuning the gains of a PID controller for systems with soft nonlinearities based on input and output data. The method used is known as Data Driven PID (DD-PID), complemented by E-FRIT (Extended Fictitious Reference Iterative Tuning). This method allows for the optimization of the gains of an off-line PID controller for different operating points, using only data from the control action and system response of a PID controller tuned using classical methods. The method was used to control the angular velocity of a separately excited DC motor across its entire speed range. The results show that the DD-PID E-FRIT controller is an effective and accurate PID controller tuning method. The angular velocity of a DC motor with independent excitation was successfully controlled for different operating points with optimal performance, compared to a classic PID speed controller.PregradoIngeniero ElectrónicoCapítulo 1: Marco de referencia....3 1.1 Marco teórico....3 1.1.1 Controlador PID....3 1.1.2 Controlador I-PD....3 1.1.3 Sintonización Ziegler-Nichols....3 1.1.4 Controladores basados en datos....4 1.1.5 Optimización de bases de datos con FRIT y E-FRIT....4 1.1.6 Modelo de referencia....6 1.2 Estado del arte....6 Capítulo 2: Descripción del sistema Motor DC con excitación independiente....9 2.1 Medición de la velocidad....10 2.2 Sistema de actuación....10 2.3 Unidad de procesamiento y control....11 2.4 Ley de control....12 Capítulo 3: Controlador PID basado en datos DD-PIDv13 3.1 Generación de la base de datos inicial....13 3.2 Cálculo de distancias y selección de datos vecinos....14 3.3 Cálculo de ganancias de controlador PID....14 3.4 Alternativa a la sintonización múltiple en controladores DD-PID....16 Capítulo 4: Algoritmo de actualización de base de datos fuera de línea basado en E-FRIT....17 4.1 Método extendido de ajuste iterativo de referencia ficticia extendido (E-FRIT)....17 4.2 Derivación del algoritmo de actualización basado en E-FRIT....18 4.3 Algoritmo de optimización DD-PID-E-FRIT....20 3.3.1 Actualización de base de datos fuera de línea con el método E-FRIT....20 4.3.2 Selección en línea del mejor conjunto de ganancias con el método DD-PID....21 Capítulo 5: Resultados experimentales....23 5.1 Escenario experimental de partida....23 5.2 Prueba inicial con ganancias fijas....24 5.3 Optimización de la base de datos utilizando E-FRIT....25 5.4 Interfaz de controla LabVIEW DD-PID-E-FRIT....28 5.5 Aplicación del método DD-PID-E-FRIT....29 5.6 Consideraciones finales....32 Capítulo 6: Conclusiones y recomendaciones....33 6.1 Conclusiones....33 6.2 Recomendaciones....3350 páginasapplication/pdfImbacuan Molina, J.S., (2025) Diseño e implementación de un sistema de control PID de ajuste automático basado en datos aplicado a un Motor DC de excitación independiente [Trabajo de grado. Universidad de Ibagué]. https://hdl.handle.net/20.500.12313/5267https://hdl.handle.net/20.500.12313/5267spaUniversidad de IbaguéIngenieríaIbaguéIngeniería ElectrónicaS. Wakitani and T. Yamamoto, “Design and application of a data-driven PID controller,” in 2014 IEEE Conference on Control Applications (CCA), 2014, pp. 1443–1448. doi: 10.1109/CCA.2014.6981527.L. J. da Silva Moreira, A. P. V. de A. Aguiar, P. R. Barros, and G. Acioli Júnior, “Data-Driven PID Closed-Loop Evaluation and Retuning Time and Frequency Domain Approaches,” Journal of Control, Automation and Electrical Systems, vol. 32, no. 1, pp. 82–95, Feb. 2021, doi: 10.1007/s40313-020-00654-0.A. Baciu and C. Lazar, “Iterative Feedback Tuning of Model-Free Intelligent PID Controllers,” Actuators, vol. 12, no. 2, Feb. 2023, doi: 10.3390/act12020056.B. Roffel and B. Betlem, “Process Dynamics and Control : Modeling for Control and Prediction.”K. J. Aström and T. Hägglund, PID controllers : theory, design and tuning, 2nd ed. North Carolina: Instrument Society of America, 1994.S. Skogestad, “Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning,” J Process Control, vol. 13, no. 4, pp. 291–309, Jun. 2003, doi: 10.1016/S0959-1524(02)00062-8.J. G. Ziegler and N. B. Nichols, “Optimum Settings for Automatic Controllers,” J Fluids Eng, vol. 64, no. 8, pp. 759–765, Nov. 1942, doi: 10.1115/1.4019264.S. Soma, O. Kaneko, and T. Fujii, “A new method of controller parameter tuning based on input-output data – Fictitious Reference Iterative Tuning (FRIT) –,” IFAC Proceedings Volumes, vol. 37, no. 12, pp. 789–794, Aug. 2004, doi: 10.1016/S1474-6670(17)31566-5.T. Yamamoto, K. Takao, and T. Yamada, “Design of a Data-Driven PID Controller,” IEEE Trans. Control Systems Technology, vol. 17, p. 29, 2009.T. Sato, S. Miyake, O. Kaneko, T. Sato, S. Miyake, and O. Kaneko, “An Extension of Intelligent PID Control System to I-PD typed Control System and Parameter Tuning by FRIT,” ITEIS, vol. 142, no. 3, pp. 299–306, 2022, doi: 10.1541/IEEJEISS.142.299.B. Bilgin et al., “Modeling and Analysis of Electric Motors: State-of-the-Art Review,” IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 5, no. 3, pp. 602–617, 2019, doi: 10.1109/TTE.2019.2931123.L. Ljung, T. Glad, and A. Hansson, “Modeling and identification of dynamic systems,” 2021, Accessed: Jun. 03, 2025. [Online]. Available: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-180214X. Gao, C. Shang, D. Huang, and F. Yang, “A novel approach to monitoring and maintenance of industrial PID controllers,” Control Eng Pract, vol. 64, pp. 111–126, Jul. 2017, doi: 10.1016/J.CONENGPRAC.2017.04.008.T. Ketthong, S. Tunyasirut, and D. Puangdownreong, “Design and Implementation of I-PD Controller for DC Motor Speed Control System by Adaptive Tabu Search,” International Journal of Intelligent Systems and Applications, vol. 9, no. 9, pp. 69–78, Sep. 2017, doi: 10.5815/IJISA.2017.09.08.S. Wakitani, T. Yamamoto, and B. Gopaluni, “Design and Application of a Database-Driven PID Controller with Data-Driven Updating Algorithm,” Ind Eng Chem Res, vol. 58, no. 26, pp. 11419–11429, Jul. 2019, doi: 10.1021/acs.iecr.9b00704.R. Busetto, V. Breschi, F. Baracchi, and S. Formentin, “Meta-learning of data-driven controllers with automatic model reference tuning: theory and experimental case study,” Mar. 2024, Accessed: Jun. 02, 2025. [Online]. Available: https://arxiv.org/pdf/2403.14500A. I. Lakhani, M. A. Chowdhury, and Q. Lu, “Stability-preserving automatic tuning of PID control with reinforcement learning,” Complex Engineering Systems, vol. 2, no. 1, Mar. 2022, doi: 10.20517/CES.2021.15.Y. Yan, “Optimization of Response Speed of DC Motor Based on PD Control,” Advances in Engineering Research, vol. 240, pp. 594–601, Sep. 2024, doi: 10.2991/978-94-6463-518-8_56.M. Hilal Mathboob, H. T. Salim ALRikabi, and I. A. Aljazaery, “Tuning of PID Controller for Speed Control of DC-Motor by using Generalized Regression Neural Network and Invasive Weed Optimization,” Wasit Journal of Engineering Sciences, vol. 11, no. 3, pp. 45–56, Dec. 2023, doi: 10.31185/EJUOW.VOL11.ISS3.451.S. Wakitani, K. Nishida, M. Nakamoto, and T. Yamamoto, “Design of a data-driven PID controller using operating data,” in IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline), IFAC Secretariat, 2013, pp. 587–592. doi: 10.3182/20130703-3-FR-4038.00077.T. Yamamoto, K. Takao, and T. Yamada, “Design of a Data-Driven PID Controller,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 17, no. 1, pp. 29–39, 2009, doi: 10.1109/TCST.2008.921808.V. V. 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Diseño e implementación de un sistema de control PID de ajuste automático basado en datos aplicado a un Motor DC de excitación independiente

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