Diseño de un sistema de control basado en PLC para una plataforma móvil (segway) virtualizada en Raspberry PI mediante lenguaje Python

Abstract

[ES] El presente Trabajo Final de Máster se encarga del diseño de un sistema de control que sea capaz de estabilizar la velocidad lineal y la inclinación del modelo no lineal de un Segway mediante diferentes técnicas, las cuales van desde las más simples, tales como una estructura de PIDs, hasta las más complejas, basadas en observadores de estado, control integral, control óptimo o control robusto. En primer lugar, se da lugar a una fase de simulación consistente en la prueba y desarrollo de los controladores y realizada en el programa MATLAB. Una vez han sido validados, se inicia la fase experimental en la cual se certifica el correcto funcionamiento del sistema, y para ello se hace uso de una Raspberry Pi, encargada de virtualizar el comportamiento del Segway mediante lenguaje Python, y de un PLC, encargado de recrear los controladores diseñados mediante lenguaje basado en Texto Estructurado. De esta forma, estos dos dispositivos se comunican entre sí, dando lugar a la constante lectura y escritura de acciones de control y variables controladas. Finalmente, se comparan los resultados de simulación y experimentación, apreciándose unas veces una gran similitud y otras veces cierta diferencia entre sí, lo cual es debido a problemas de cuantificación de las variables leídas y escritas desde los conversores A/D y D/A utilizados en el PLC y la Raspberry Pi, y a tiempos de computación que en algunos momentos pueden ser superiores al periodo de muestreo.

[EN] This Master’s Final Thesis designs a control system that is able to stabilize the linear speed and inclinitation of the non-linear model of a Segway using different techniques, which go from the simplest, such as a PID structure, to the most difficult, like state observers, integral effect, optimal control or robust control. First, a simulation phase consisting of the testing and development of the controllers is carried out in the MATLAB program. Once they have been validated, the experimental phase begins and the correct performance of the system must be certified. For this purpose, a Raspberry virtualizes the behaviour of the Segway using Python language, and a PLC recreates the designed controllers using Structured Text language. In this way, these two devices communicate between them, resulting in the continual reading and writing of control actions and controlled variables. Finally, the results of simulation and experimentation are compared, and it can be appreciated that sometimes are similar and another times aren’t, which is due to quantification problems while reading and writing variables with A/D and D/A converters in the communication between PLC and Raspberry Pi, and also to computation times that sometimes are higher than the sample time.

[VA] El present Treball Final de Màster s’encarrega del disseny d’un sistema de control que puga estabilitzar la velocitat lineal i la inclinació del model no lineal d’un Segway mitjançant diverses tècniques, entre les quals es troben des de les més simples, com ara una estructura de PIDs, fins a les de major dificultat, basades en observadors d’estat, control integral, control òptim o control robust. En primer lloc, es realitza una fase de simulació consistent en la prova i desenvolupament dels controladors i realitzada en el programa MATLAB. Una vegada han sigut validats, s'inicia la fase experimental, en la qual se certifica el correcte funcionament del sistema, i per dur a terme això s’utilitza una Raspberry Pi, encarregada de virtualitzar el comportament del Segway mitjançant llenguatge Python, i d'un PLC, encarregat de recrear els controladors dissenyats amb llenguatge basat en Text Estructurat. D'aquesta manera, aquests dos dispositius es comuniquen entre si, donant lloc a la constant lectura i escriptura d'accions de control i variables controlades. Finalment, es comparen els resultats de simulació i experimentació, apreciant-se unes vegades una gran similitud i altres vegades una certa diferència entre si, la qual cosa és deguda a problemes de quantificació de les variables llegides i escrites des de els convertidors A/D y D/A utilitzats en el PLC i la Raspberry Pi, i a temps de computació que a vegades poden ser superiors al período de mostreig.