Implementación de un sistema viga y bola para análisis comparativo de algoritmo de control PID clásico y PD difuso

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Title: Implementación de un sistema viga y bola para análisis comparativo de algoritmo de control PID clásico y PD difuso
Authors: Arroyo Villamar, Edwin Iván
Quijije Moreira, Job Ronald
Advisor: Kuonquí Gaínza, Franklin Illich
Abstract: This research addresses the design, implementation, and comparative analysis of a ball-and-beam system using two control strategies: the classical PID controller and the fuzzy logic-based PD controller. The ball-and-beam system constitutes a model widely used in control engineering due to its nonlinear behavior and inherent instability, making it an appropriate platform to evaluate the performance of different control algorithms under real operating conditions. The study begins with an analysis of the problem, highlighting the limitations of the PID controller when facing variations in the physical parameters of the system, such as changes in the mass of the ball, friction in the pivot axis, or external disturbances. PID control is recognized for its simplicity and low computational cost; however, its performance may degrade in nonlinear systems if proper tuning is not achieved. In contrast, the fuzzy PD controller offers greater flexibility in the presence of uncertainties, as it employs linguistic rules and membership functions that allow adaptation to dynamic changes without requiring an exact mathematical model. Methodologically, the project includes the mechanical design of the system using computer-aided design tools, the fabrication of the structure through manufacturing techniques such as 3D printing, and the assembly of components. In the electronic domain, a sensing subsystem based on an infrared distance sensor and an actuation subsystem using a servomotor are implemented, both controlled by a low-cost development platform. The microcontroller executes the control algorithms in real time, processing the sensor signal and generating the corresponding PWM signal for the actuator. Finally, a comparative performance analysis of both controllers is carried out using indices such as ISE and IAE, evaluating stability criteria, settling time, overshoot, and steady-state error. The results make it possible to determine under which conditions each strategy provides better performance, contributing both to the academic field and to the practical application of control techniques in nonlinear Systems.
Translated abstract: La presente investigación aborda el diseño, implementación y análisis comparativo de un sistema viga–bola empleando dos estrategias de control: un controlador PID clásico y un controlador PD basado en lógica difusa. El sistema viga–bola constituye un modelo ampliamente utilizado en el ámbito académico debido a su comportamiento no lineal y su inestabilidad inherente, lo que lo convierte en una plataforma adecuada para evaluar el desempeño de distintos algoritmos de control en condiciones reales. El trabajo inicia con el análisis del problema, destacando las limitaciones del controlador PID cuando se enfrenta a variaciones en los parámetros físicos del sistema, tales como cambios en la masa de la bola, fricción en el eje o perturbaciones externas. El control PID es reconocido por su simplicidad y bajo costo computacional; sin embargo, su desempeño puede degradarse en sistemas no lineales si no se realiza una adecuada sintonización. En contraste, el controlador PD difuso ofrece mayor flexibilidad ante incertidumbres, ya que emplea reglas lingüísticas y funciones de pertenencia que permiten adaptarse a cambios dinámicos sin requerir un modelo matemático exacto. Metodológicamente, el proyecto comprende el diseño mecánico del sistema mediante herramientas de diseño asistido por computadora, la fabricación de la estructura utilizando técnicas de manufactura como la impresión 3D y el posterior ensamblaje de los componentes. En el ámbito electrónico, se implementa un subsistema de sensado basado en un sensor infrarrojo de distancia y un subsistema de actuación mediante un servomotor, ambos controlados por una plataforma de desarrollo de bajo costo. El microcontrolador ejecuta los algoritmos de control en tiempo real, procesando la señal proveniente del sensor y generando la señal PWM correspondiente para el actuador. Finalmente, se realiza un análisis comparativo del desempeño de ambos controladores utilizando índices de desempeño como el ISE e IAE, además de criterios clásicos de evaluación tales como estabilidad, tiempo de establecimiento, sobreimpulso y error en estado estacionario. Los resultados permiten determinar bajo qué condiciones cada estrategia ofrece mejores prestaciones, contribuyendo tanto al ámbito académico como a la aplicación práctica de técnicas de control en sistemas no lineales.
Keywords: SISTEMAS DE CONTROL
MICROCONTROLADOR ESP32
SENSOR INFRARROJO
SERVOMOTOR
SISTEMA VIGA–BOLA
CONTROL PID CLÁSICO
Issue Date: 2026
URI: http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/32831
Language: spa
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