integración de dispositivos físicos en un laboratorio remoto de … · 2017-01-10 · la calidad...

http://www.revista-riai.org Integracion de dispositivos fısicos en un laboratorio

remoto de control mediante diferentes plataformas:Labview, Matlab y C/C++

R. Costa-Castello ∗ M. Valles ∗∗ L. M. Jimenez ∗∗∗ L. Diaz-Guerra ∗

A. Valera ∗∗ R. Puerto ∗∗∗

∗ Institut d’Organitzacio i Control de Sistemes Industrials, Escola TecnicaSuperior d’Enginyeria Industrial de Barcelona, Universitat Politecnica de

Catalunya, Av. Diagonal 647,11, 08028-Barcelona∗∗ Departamento de Ingenierıa de Sistemas y Automatica, Universidad

Politecnica de Valencia, Camino de Vera, no14, 46022, Valencia, Espana,(e-mail: {mvalles,giuprog}@isa.upv.es)

∗∗∗ Departamento de Ingenieria de Sistemas Industriales, Avda. Universidads/n, 03202 Elche (Alicante), Espana (e-mail: {luis.jimenez}@umh.es)

Resumen: Los laboratorios remotos de control posibilitan la realizacion de practicas con equipos fısicosreales que se encuentran ubicados en entornos remotos siendo accesibles por parte de los alumnos encualquier instante de tiempo y desde cualquier lugar con conexion a Internet. En este artıculo se presentaun conjunto de dispositivos fısicos incorporados dentro de una esquema global de laboratorios remotos(AutomatL@bs) que posibilitan la realizacion de practicas a distancia con estos dispositivos. El rasgoprincipal comun a estos dispositivos consiste en que posibilitan la actuacion con sistemas fısicos remotospara la realizacion de practicas de control clasico con los mismos. Se prestara una especial atencion alas diferentes posibilidades de comunicacion entre la herramienta visual que dispone el usuario parasu interconexion basada en Easy Java Simulations, y la conexion directa con los dispositivos fısicosubicados en los laboratorios remotos. Estos sistemas se han empleado para la realizacion de practicasdentro del sistema AutomatL@bs desde el curso 1997/98. Copyright c© 2010 CEA.

Palabras Clave: Educacion en Control, Laboratorio remoto, Laboratorio virtual, Control remoto,Control PID, Tecnicas de Laboratorio.

1. INTRODUCCION

Durante los ultimos anos el uso de las nuevas tecnologıas en laeducacion ha experimentado un extraordinario crecimiento. Es-tas nuevas tecnologıas han permitido modificar paulatinamentela forma en que los alumnos acceden a los contenidos docentesde cada una de las materias que reciben prestando cada vezmas atencion a nuevos contenidos pedagogicos que aumentenla calidad del aprendizaje al posibilitar esquemas de educacionmucho mas flexibles. Hoy en dıa, la cantidad de informaciona la que los alumnos pueden acceder a traves de Internet esinmensa, pudiendo seleccionar y contrastar los documentosmas adecuados en la materia de estudio. El acceso a travesde Internet a cualquier tipo de documentacion que permita alos alumnos asentar los conocimientos de la materia cursadaes un proceso que se ha impuesto durante los ultimos anos yque ha permitido avanzar en el clasico proceso de aprendizaje.De esta forma los alumnos pueden adquirir los conocimientosprecisos de cada una de las materias sin necesidad de acudir deforma presencial a las tıpicas clases teoricas donde se impartenlas lecciones magistrales. Por ejemplo (Gomes and Bogosyan,2007; Dormido and Torres, 2005) proporcionan aplicacionespracticas en empresas que ofrecen cursos en lınea (ISA Dis-tance Learning, 2003), (Customer Training Courses, 2003). Elaprendizaje basado en la web tambien es de gran interes paracompanıas en las que el aprendizaje continuo de sus empleadoses importante (Badersten and Avasjo, 1997), (Online Manu-

facturing Courses from the Manufacturing Training Network(MTN), 2003). Ademas de las aplicaciones educativas, la moni-torizacion y el control remoto de procesos industriales a travesde Internet ofrecen diferentes ventajas (optimizacion de las in-fraestructuras, gestion del mantenimiento preventivo, reduccionde los costes de personal, etc.) y tambien son un paso adelanteen el tele-trabajo (Lopez, 1999), (Crossan and Burton, 1993),(Norman, 1993). Algunas aplicaciones relevantes se puedenencontrar en areas tan diversas como la medicina (Katsura etal., 2007), las plantas quımicas (Cushing, 2000) o la robotica(Rosch et al., 2002; Luo and Chen, 2000; Marin et al., 2005;Birk and Kenn, 2002; Safaric et al., 2001).

En las titulaciones de ingenierıa y mas concretamente en ladisciplina de control, ademas de los conocimientos teoricos decada una de estas materias es imprescindible que el alumnorealice un conjunto de practicas que le permita asentar y validarlos conocimientos teoricos adquiridos. En este sentido, se harealizado durante los ultimos anos un esfuerzo considerable enla utilizacion de las nuevas posibilidades que se ofrecen para eldesarrollo de practicas a distancia por parte de los alumnos quecursan materias relacionadas con el control.

Dos son los tipos de laboratorio que permiten a los alumnosrealizar practicas a distancia a traves de Internet: los labo-ratorios virtuales, y los laboratorios remotos. Un laboratoriovirtual permite, por ejemplo, acceso continuo a un procesosimulado en un computador (Valles et al., 2001; Zuluaga et

ISSN: 1697-7912. Vol. 7, Núm. 1, Enero 2010, pp. 23-34

Publicado electrónicamente: 08/01/2010 DOI: 10.4995/RIAI.2010.01.02

al., 2005; McKee and Gatward, 2005; Guzman et al., 2005).Bajo esta estructura, es posible una interaccion remota entre ellaboratorio virtual y el estudiante. A mitad de camino entre loslaboratorios tradicionales y los virtuales estan los laboratoriosremotos que ofrecen un experimento real a los usuarios remotos(Valera et al., 2005b,a; Domńguez et al., 2005; Gasa et al.,2005; Jimenez et al., 2005). La incorporacion de camaras Webpermite la observacion de la evolucion del sistema real ademasde las variables de interes.

En los laboratorios remotos se dispone de dos opciones distintasde operar: modo por lotes y modo en lńea. Un modo deoperacion en lńea puro considera que los algoritmos de controlse encuentran en el computador remoto y que las acciones decontrol as´ como la informacion de los sensores se transmitena traves de Internet (Yang et al., 2003; Sala et al., 2006). Sepuede cambiar la referencia y los parametros mientras se llevaa cabo el experimento, pero aparecen retardos variables comoconsecuencia del tra co de Internet. En cambio, el modo deoperacion por lotes evita los retardos de Internet (Valera et al.,2005a; Jimenez et al., 2005; Domńguez et al., 2005) ya que lareferencia y los parametros del controlador se enván al servidorantes de que el experimento empiece y, una vez naliza, lasalida del proceso se envá al computador remoto.

Sin embargo, el modo por lotes limita totalmente la interaccioncon el usuario durante la ejecucion con el experimento. Paraevitar los retardos en lo posible y aumentar la interactividad,se puede realizar una implementacion del modo en lńea enla que los controladores estan en servidor, pero desde el orde-nador remoto se puede cambiar la referencia y los parametrosmientras se ejecuta el experimento. Esta ultima opcion permiteevitar los retardos y aumentar la interactividad con el estudiante(Dormido et al., 2005; Guzman et al., 2005).

A pesar de la madurez de las tecnicas, y que la mayor parte delequipamiento necesario para poner en marcha un laboratoriovirtual/remoto se encuentra disponible en los laboratorios tradi-cionales (el unico elemento adicional necesario es una interfazentre la aplicacion local y el Servidor Web) a los problemasinherentes a la red comentados anteriormente se suelen unirla complejidad y el coste como problemas habituales en laimplementacion de laboratorios remotos (Marange et al., 2007;Hercog et al., 2007; Casini et al., 2007), lo que limita en granmedida su expansion y generalizacion.

En este artćulo se presenta y analiza la experiencia llevada acabo por parte de tres universidades espanolas en el desarrollode un laboratorio remoto de control que posibilita a los alum-nos la realizacion de practicas mediante al acceso a diferentesdispositivos y maquetas localizadas f´sicamente en diferentesubicaciones. Esta experiencia se incorpora dentro del proyectoAutomatL@bs (AutomatL@bs, 2008), en el que participan untotal de siete universidades espanolas incorporando diferentescontenidos tanto en equipos como en tipos de practicas do-centes y que permiten a los alumnos de estas siete univer-sidades la realizacion de practicas de control con cualquierade los equipos englobados. Los alumnos que participan en larealizacion de estas practicas lo hacen bajo un entorno comunindependiente del sistema f´sico con el que interactuen. Esteentorno comun que utilizan se encuentra basado en Easy JavaSimulations (EJS) ((Dormido, 2004)). Los sistemas f´sicos quese han incorporado al proyecto anteriormente referenciado yque se comentaran con mas detalle posteriormente, son lossiguientes: un motor de corriente continua, un sistema de bola

y viga, y un sistema constituido por un rotoiman. Cada uno deestos sistemas se ha integrado mediante arquitecturas diferentesque son las que se presentaran en apartados posteriores.

EJS se ha convertido en una potente herramienta que permitegenerar applets Java de una forma sencilla y comoda accesiblesa traves de internet simulando los sistemas deseados, a la vezque permite una interfaz de usuario completamente con gu-rable. Esta herramienta ha sido ampliamente utilizada en eldiseno de laboratorios remotos de control como por ejemploen (Dormido et al., 2008) o (Candelas et al., 2006), as´ co-mo en laboratorios virtuales (Diaz et al., 2000; Christian andEsquembre, 2007). Tomando como base esta herramienta sehan integrado diferentes laboratorios remotos utilizando variasopciones para el control a bajo nivel del prototipo deseado. Enconcreto en este artćulo se presentan tres opciones diferentes:Matlab-Simulink, Labview o C/C++. De esta manera el tiempode desarrollo se reduce considerablemente al poder reutilizarselos diferentes algoritmos de control previamente desarrollados.

El resto del artćulo se estructura de la siguiente manera. En laseccion 2 se analizan las diferentes posibilidades de conexionentre los sistemas f´sicos reales y Easy Java Simulations (EJS)que se han implementado: conexion vá Labview, conexion atraves de Matlab, y conexion directa mediante C/C++. En la si-guiente seccion se presentan las diferentes practicas y sistemasf´sicos implementados en cada una de estas conexiones, en con-creto se presentan los sistemas: rotiman, bola y viga, y motorde corriente continua, as´ como los diferentes experimentos decontrol que se pueden realizar con los mismos. Finalmente sepresentan las principales conclusiones que se pueden alcanzaras´ como los trabajos futuros a desarrollar.

2. CONECTIVIDAD EJS - SISTEMAS FISICOS REMOTOS

En esta seccion se van a analizar diferentes posibilidades deconexion entre la interfaz de usuario desarrollada en EJS y elsistema real ubicado en el laboratorio remoto. El acceso a losdiferentes dispositivos f´sicos que constituyen los sistemas depracticas de manera que se puedan modi car los parametros decontrol sobre los mismos, se puede realizar de multiples formas.En este artćulo se analizan las siguientes conectividades:

Interaccion del sistema f´sico a traves de Matlab.Interaccion del sistema f´sico a traves de Labview.Interaccion directa del sistema f´sico a traves de librerásprogramadas en C/C++.

2.1 Conectividad EJS-Matlab

Matlab es una herramienta ampliamente utilizada en el entornouniversitario que permite analizar y simular multitud de proce-sos de toda ńdole. Constituye una plataforma que goza de unsoporte tecnico y un nivel de desarrollo muy elevado, lo que hapermitido una amplia y creciente difusion en el entorno educa-tivo y mas concretamente en las asignaturas relacionadas conel control automatico. Uno de los aspectos mas signi cativosradica en la posibilidad de incorporar elementos que permitenla ejecucion en tiempo real de los sistemas f´sicos a traves de unsistema de adquisicion de datos. De esta manera el tiempo dedesarrollo de las aplicaciones que interactuan con los sistemasf´sicos se reduce considerablemente. As´, Matlab y Simulinkhan sido previamente utilizados en diferentes sistemas de desa-rrollo de laboratorios remotos de control como en (Jimenez etal., 2005).

24 Integración de Dispositivos Físicos en un Laboratorio Remoto de Control Mediante Diferentes Plataformas: Labview, ...

Como se ha comentado previamente la interfaz de usuario decualquiera de los laboratorios remotos, as´ como el laboratoriovirtual que simula el comportamiento de los equipos f´sicosreales, se ha desarrollado dentro del entorno de EJS. En lagura 1 se observa la consola que permite acceder tanto a

la interfaz de experimentacion virtual como a la interfaz deexperimentacion remota para el caso de un motor de corrientecontinua.

Figura 1. Consola de acceso a la interfaz virtual y remota delmotor de corriente continua.

Sin embargo para el acceso remoto al sistema f´sico, se haceuso de Matlab y mas concretamente de Simulink junto con elReal Time Workshop para acceder al sistema f´sico de maneraque se puedan modi car los parametros de control as´ como lascondiciones de partida en el desarrollo de nuevos experimentos.El enlace entre Matlab y el entorno desarrollado en EJS serealiza a traves de un servidor dedicado a tal efecto que se hadenominado JimServer (Vargas et al., 2009). En la gura 2 seobserva el esquema de comunicaciones que se ha desarrollado.

Figura 2. Comunicacion entre el entorno local con interfaz EJSy el sistema remoto. El sistema f´sico se controla a travesde Matlab/Simulink.

De esta manera la conexion entre el sistema remoto a travesde la interfaz que dispone el usuario y el sistema f´sico sepuede realizar de dos maneras (ambas comunicadas a traves delservidor JimServer):

A traves de Matlab: La comunicacion se realiza a traves delas variables que se encuentran disponibles en el Works-pace de Matlab, lanzando desde aqu´ la aplicacion desa-rrollada en SimulinkDirectamente con Simulink: La comunicacion se realizadirectamente a traves de Simulink.

El sistema f´sico (en este caso un motor de corriente continua)es controlado a partir de un esquema simulink que interaccionacon el motor mediante la correspondiente tarjeta de entradassalidas. Dado que se dispone de dos tipos de experimentos arealizar sobre el motor de corriente continua (control en velo-cidad y control en posicion), se han desarrollado dos esquemasde control a traves de simulink. A modo de ejemplo se puedeobservar el esquema implementado que posibilita el control enposicion del motor de corriente continua a traves de la tarjeta deentradas/salidas (ver gura 3). Los parametros del regulador sepueden sintonizar modi candolos a traves de Matlab. De estamanera el usuario a traves de la interfaz desarrollada en EJSmodi ca estos parametros del regulador, enviandolos a Matlaba traves del servidor JimServer.

Figura 3. Esquema simulink de acceso al motor para la realiza-cion de un control en posicion tipo PID.

Uno de los inconvenientes que presenta el modo de accesoplanteado a traves de Simulink mediante la comunicacion conMatlab, consiste en que iniciado el experimento en tiempo real,no se tiene acceso a las variables de entorno del sistema hastael momento en que Simulink termina de ejecutar el experimen-to. El tiempo de ejecucion de cada uno de los experimentos(control en posicion y control en velocidad) se ha establecidoen 8 segundos. De esta forma una vez iniciada la ejecucionen Simulink, no existe posibilidad de refresco de las variablesasociadas (salida, accion de control, etc.) hasta que no se na-liza por completo esta ejecucion. Esto es consecuencia de quedesde el entorno de trabajo de Matlab no se puede acceder a lasvariables que maneja Simulink en las que se van almacenandolos valores que recibe del proceso. Finalizada esta ejecucion,al disponer ya de estas variables en el entorno de Matlab, seenv´an estos resultados, refrescando de esta manera las gra casen la consola de la aplicacion donde el usuario visualiza todoslos resultados.

2.2 Conectividad EJS - Labview

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation EngineeringWorkbench) es un entorno de desarrollo de aplicaciones deprocesado de senales, control, adquisicion de datos e instru-mentacion desarrollado y mantenido por NI (National Instru-ments). Desde la primera version (1986), LabVIEW ha foca-lizado sus esfuerzos en el desarrollo de soluciones integralespara la industria y, sobre todo, ha dedicado especial atencional mundo academico cuando se incluyen nuevas caracter´sticasal entorno. Por estas razones, LabVIEW es hoy en d´a (versionLabVIEW 8.6, agosto 2008) un estandar de facto en diferentesambitos de la automatica y la academia.

R. Costa-Castelló, M. Vallés, L. M. Jiménez, L. Diaz-Guerra, A. Valera, R. Puerto 25

Figura 4. Programa principal de la aplicacion de control local.

LabVIEW es una herramienta multiplataforma disponible parasistemas operativos Windows, Linux y MAC. Las aplicacionesdesarrolladas por los usuarios reciben el nombre de instrumen-tos virtuales o simplemente, VI.

Figura 5. Interfaz de usuario (Frontal Panel) de la aplicacion decontrol local.

LabVIEW presenta algunas ventajas adicionales en relacion aluso de otras herramientas de desarrollo de aplicaciones en elambito del control. Algunas de ellas son:

El lenguaje de programacion, conocido como G, es total-mente gra co. A modo de ejemplo, la gura 4 muestrala forma que toma el programa principal del sistema decontrol de uno de los laboratorios remotos desarrolladomediante LabVIEW.El entorno integra el uso de multiples dispositivos hard-ware, especialmente los de NI, permitiendo un desarrollorapido y e ciente. Tambien puede interactuar con disposi-tivos no propietarios de la marca, gracias a la utilizacionde librerás internas de LabVIEW para comunicar conellos vá dlls, C code o scripts de Matlab.El manejo de hilos de ejecucion concurrentes es realmentesimple, facil e intuitivo.Un conjunto de librerás proporcionadas por el entorno fa-cilita el desarrollo de aplicaciones. Por ejemplo, libreráspara procesamiento de senales, control e instrumentacion,comunicacion, manejo de archivos, control de ujo, etc.El desarrollo de la interfaz gra ca de usuario o FrontalPanel esta totalmente integrado. Todos los elementos devisualizacion e interaccion estan incluidos en el propioentorno y no introducen complejidad adicional. La gura5 muestra la interfaz de usuario de la aplicacion mostradaen la la gura 4.

En el ambito de la experimentacion remota con nes academi-cos, LabVIEW ha integrado soluciones que permiten a susdesarrolladores implementar de manera rapida y con unas pocaspulsaciones de raton un laboratorio remoto. Esta tecnologá co-nocida como Paneles Remotos permite publicar el panel frontalde una aplicacion LabVIEW a traves de Internet utilizando elservidor web interno de la herramienta. Sin embargo, una de lasdesventajas de este enfoque es que el usuario remoto necesitatener instalado un software adicional (distribuido por NI) en lamaquina del cliente llamado LabVIEW run-time engine. Sinembargo, esto no origina complicaciones adicionales para laejecucion de la herramienta en modo remoto. Por otra parte,desde un punto de vista pedagogico se persigue tambien quelos laboratorios remotos/virtuales incorporen mecanismos desimulacion y diseno con la misma interfaz de usuario lo quese traduce en una complejidad extra de desarrollo.

Figura 6. Arquitectura del servidor JIL.

Con el n de solventar estas limitaciones y sin renunciar alpotencial de LabVIEW como herramienta de desarrollo, el De-partamento de Informatica y Automatica de la UNED ha desa-rrollado un conjunto de aplicaciones informaticas que permitenel desarrollo de laboratorios virtuales y remotos de maneraestructurada utilizando EJS y LabVIEW. La Figura 6 presentaun diagrama de comunicacion de este enfoque.

Este esquema se basa en el uso de un modulo de softwaregenerico, desarrollado en LabVIEW denominado JIL Server.JIL Server integra la gestion automatica de usuarios, permiteacceder desde un applet o aplicacion JAVA a cualquiera de lasvariables que componen una aplicacion LabVIEW ejecutadaen una maquina remota (como por ejemplo, Rotoiman.vi en laFigura 6), ya sea para monitorizar su evolucion o modi car suvalor. Este marco de trabajo permite, de forma simple, integraren una aplicacion EJS la capacidad de monitorizar el estadode una aplicacion LabVIEW remota y modi car el valor dealgun parametro de entrada a la misma. Para ello, una libreráJAVA llamada jil.jar ha sido desarrollada para ser importadaen aplicaciones del lado del cliente. Esta librerá contieneclases y metodos que permiten a estas aplicaciones controlarla conexion con un VI remoto publicado por JIL Server.

Mediante este procedimiento se han desarrollado algunas delos laboratorios virtuales y remotos dentro del entorno deexperimentacion del proyecto Automatl@bs.

2.3 Conectividad EJS - C/C++

Otra alternativa a la hora de implementar el servidor de laaplicacion correspondiente al laboratorio remoto es utilizar unlenguaje de programacion de alto nivel como es el C++.


El proceder de esta manera tiene la ventaja de que el codigodesarrollado resulta altamente e ciente dado que se desarrollaespec´ camente para la aplicacion en cuestion, por lo que lostiempos de computo son menores que con otras herramientas.Sin embargo, esta solucion tiene la desventaja de que se ne-cesita un mayor desarrollo de programacion ya que no existenfunciones prede nidas para la aplicacion a desarrollar.

A la hora de implementar el servidor debe tenerse en cuentacual es su funcionalidad. El servidor debera estar esperandopeticiones entrantes de trabajar con el equipo. En cuanto estode produzca debe consultar en la base de datos en donde sealojan las reservas para trabajar con la planta gestionada por elservidor si se trata de una reserva correcta. En caso de no ser as ,la aplicacion queda de nuevo a la espera de nuevas peticiones.

En el caso de tratarse de una peticion correcta debera iniciarsela aplicacion que permita al usuario remoto controlar la plantagestionada por el servidor. Para ello, se debera, por un lado,controlar la planta usando el controlador proporcionado porel usuario remoto, pero, al mismo tiempo se le debe enviara dicho usuario informacion de como esta funcionando sucontrolador, as´ como permitir la posibilidad de que este cambiedinamicamente tanto la referencia como los parametros delcontrolador. Por otro lado, ademas, la aplicacion debe controlarque el usuario no exceda en su uso el tiempo que tená asignado.

Para permitir todas estas ejecuciones de manera simultanea seha desarrollado una aplicacion basada en hilos de ejecucion conla estructura que se muestra en la gura 7.

Figura 7. Estructura del controlador basado en C++.

A continuacion detallaremos la funcionalidad de cada uno deestos hilos.

Hilo Login/Password Tal como se ha comentado anterior-mente, la aplicacion principal estara continuamente a la esperade que un usuario quiera conectarse a la planta. En el momentoen que esto suceda, se crea este hilo el cual unicamente seencarga de recoger el usuario y la contrasena introducidos porel cliente remoto.

Esta informacion se guarda en unas variables que se compartencon la aplicacion principal, de manera que esta es la quese encarga de acceder a la base de datos y veri car si elusuario dispone de una reserva valida, es decir, que el usuarioy contrasena sean validos y que dicho usuario disponga de unareserva para el dá y hora en que nos encontremos.

Si es as´, la aplicacion procede a dotar al usuario de las fun-cionalidades su cientes que le permitan controlar de manera

remota la planta para lo cual lanzara la ejecucion simultanea detres hilos: el del controlador, el de comunicacion y el de controlde reserva que aparecen en la gura anterior. En caso contrario,informa al usuario del tipo de error y queda a la espera de unanueva conexion entrante.

Hilo Controlador Este hilo, como su nombre indica sera elencargado de ejecutar el controlador disenado por el usuarioremoto, para lo cual debera acceder a las tarjetas de adquisicionde datos y manejar el periodo de muestreo aunque para elusuario remoto esto resulte transparente.

Algunos de los parametros del controlador podran ser cam-biados de manera dinamica aunque para el hilo Controladoresto resulta transparente, ya que esto se consigue a traves de lacomparticion de variables entre este hilo y el de comunicacion.

Ademas, debido a la funcionalidad que tiene a su cargo, estehilo sera el que tenga la prioridad mas alta frente a los otros doshilos que se ejecutan de manera concurrente junto con el.

Hilo de Comunicacion Este hilo tendra dos objetivos. Porun lado, permitir que el usuario pueda cambiar dinamicamentetanto los parametros del controlador como el valor de la refe-rencia y, por otro lado, que el servidor pueda enviar al usuarioremoto informacion en tiempo real de como esta funcionandosu controlador.

Hilo de Control de Reserva Ademas de lo realizado porlos hilos comentados anteriormente, sera necesario tambiencontrolar que el usuario que se encuentre actualmente usandola planta no exceda el tiempo que tiene asignado para su sesion,para lo cual de manera periodica veri ca dicha informacion(que ademas se envá tambien al usuario remoto para que tengaconocimiento de ella).

3. PROTOTIPOS EXPERIMENTALES

3.1 Rotoiman

N

N

N

N

NNN

NS

S

S

S

S

SS

S

ωω ωω

Γp < 0 Γp > 0 Γp > 0 Γp < 0

Figura 8. Esquema de la estructura de la planta.

La teorá de control clasica se ha centrado en el estu-dio de esquemas para el seguimiento/rechazo de consig-nas/perturbaciones constantes, por ello las plantas didacticashabitualmente se centran en ilustrar este tipo de problemati-ca. En la practica existen sistemas que presentan otro tipo dereferencias o perturbaciones, un claro ejemplo de ello son lossistemas con elementos rotatorios. En este regimen de funcio-namiento, cualquier friccion, desequilibrio o asimetrá existenteen el sistema genera una perturbacion periodica sobre el mismo.


El per´odo de dicha perturbacion esta directamente relacionadocon la velocidad angular que lo genera. La gura 8 muestra elesquema de un prototipo didactico disenado para ilustrar esteconcepto (Costa-Castello et al., 2005). La idea basica consisteen acoplar un elemento que genere un par pulsante (Γp) sobre eleje de un motor de corriente continua. El medio utilizado paragenerar el par es un sistema de imanes ( gura 8). Una barracentral, solidaria al eje del motor, dispone de un iman en cadauno de sus extremos (los imanes presentan polaridades inversaspor lo que toda la barra se asemeja a un iman de mayor tamano).El movimiento del motor de corriente continua genera un pardebido a la interaccion de los diferentes imanes que componenel sistema, el par depende del angulo (θ) del eje del motor.Cuando la velocidad angular del eje es constante (ω = θ = 0)el par sobre el eje de rotacion es una senal periodica con unper´odo relacionado con la velocidad angular. El objetivo decontrol para esta planta es que gire a velocidad constante pese ala existencia de este par de perturbacion (Xargay and Castello,2004). La gura 9 muestra el prototipo construido, este presentaun encoder que permite medir instantaneamente la posicion yvelocidad del eje de giro, esta medida es la utilizada para cerrarlos lazos de control.

Figura 9. Maqueta de la planta analizada.

Recientemente este prototipo ha sido incorporado en la red Au-tomatl@abs, para ello se tomo como punto de partida un labo-ratorio virtual previamente existente (Mata and Castello., 2005)y una implementacion del controlador de bajo nivel (Costa-Castello et al., 2005). Con el n de simpli car la conexion entreel laboratorio virtual y el controlador local se ha recodi cadomediante LabVIEW el controlador local. La gura 4 muestra laestructura del instrumento virtual que se ha desarrollado. Estaaplicacion local permite desarrollar diferentes tipos de ensayossobre el dispositivo real, ademas de ofrecer una interfaz deusuario que puede utilizarse en entornos docentes presenciales( gura 5).

Asumiendo que la dinamica dominante es la mecanica, laplanta puede modelarse mediante un sistema de primer ordenω(s)/V (s) = K

τs+1 con una perturbacion aditiva sobre lasalida.

3.2 Motor de corriente continua

Otro de los equipos f´sicos incorporados al conjunto esta cons-tituido por un motor de corriente continua. Sobre este equipo se

pueden realizar practicas de control clasico tanto en velocidadcomo en posicion. Los componentes electromecanicos de estaunidad comprenden el motor de corriente continua Feedback32-002, un tacometro analogico, un potenciometro analogicocomo senal de posicion, encoders incrementales absolutos yun freno magnetico. En la gura 10 se observa una imagen deeste dispositivo. Asimismo el esquema electrico del motor decorriente continua se detalla en la gura 11.

Figura 10. Servomotor Feedback 32-002.

Figura 11. Esquema electrico de un motor de corriente conti-nua.

Este tipo de sistemas de servoposicionamiento basado en motorde corriente continua consta de tres subsistemas: el subsistemaelectrico, el magnetico y el mecanico. Su analisis, y por tanto laobtencion del modelo matematico, se suele realizar estudiandoestos tres subsistemas:

Subsistema magnetico: Una de las partes mas importantesdel motor, el devanado de inducido, consiste en un arro-llamiento de varias espiras que puede girar inmerso enun campo magnetico constante. Dicho campo magneticose puede generar mediante un iman permanente o por undevanado consistente en una bobina por la que circula unacorriente de excitacion if(t), que supondremos constantepara que el campo sea tambien constante. Al circular unacorriente ia(t) por el devanado inducido, como resultadode la interaccion con el campo magnetico se ejerce sobreel un par T (t) que es directamente proporcional al campomagnetico y a la propia corriente de inducido id(t). Dadoque se supone constante el campo magnetico, el par delmotor sera proporcional a la corriente de inducido, por loque:

T (t) = Ktia(t) (1)Por otra parte, el giro de las espiras del devanado de

inducido en presencia del campo magnetico, produce en elmismo una fuerza contraelectromotriz, e(t), proporcionala su velocidad de giro:

e(t) = Keθm(t) (2)


Subsistema electrico: Asimismo, el devanado de inducidoes, a todos los efectos, un conductor, con una resistenciaRa y una inductancia La, sobre la que hay que considerar,ademas, la fuerza contraelectromotriz como una fuente detension dependiente de la velocidad de giro. La ecuacionen la malla sera por tanto:

va(t) = Raia(t) + Ladia(t)

dt+Keθm(t) (3)

Aplicando la transformada de Laplace a la ecuacionanterior, se obtiene:

Va(s) = (Ra + sLa)Ia(s) +Keθm(s) (4)Subsistema mecanico: El par mecanico T (t) desarrolladopor el motor se emplea para imprimir aceleracion angularθm(t) a la carga y en vencer la fuerza de friccion b θm(t),siendo Jm la constante inercial del motor y b el coe cientede friccion viscosa. Por tanto:

T (t) = Jmθm(t) + bθm(t) (5)Aplicando la transformada de Laplace a la ecuacion

anterior:

T (s) = (Jms+ b)θm(s) (6)

La funcion de transferencia θm(s)/Va(s) se puede obteneragrupando terminos en las expresiones anteriores, llegando ala siguiente expresion:

θm(s)Va(s)

=Kt

s[(Jms+ b)(Las+Ra) +KtKe](7)

Ahora, asumiendo que la inductancia de la armadura es general-mente pequena, podemos despreciarla en cuyo caso, la funcionde transferencia se reduce a:

θm(s)Va(s)

=Km

s(τs+ 1)(8)

siendo Km = Kt

(Rab+KtKe) y τ = RaJm

(Rab+KtKe)

Si consideramos ω(s) la salida del sistema, la funcion detransferencia que se obtiene es la siguiente:

ω(s)Va(s)

=Km

τs+ 1(9)

donde ω(t) = dθ(t)dt representa la velocidad angular del motor.

De esta forma el modelo experimental del motor de corrientecontinua representado en un diagrama Simulink es el queaparece en la gura 12.

3.3 Sistema Bola y Viga

El sistema de bola y viga es otro de los experimentos integradosen AutomatL@bs, en concreto se utiliza una maqueta de lacompan´a Quanser Consulting (Figura 13). Segun se muestraen la gura 14, este prototipo consiste en una barra formadapor dos rieles sobre los que rueda una bola de acero, productode la inclinacion de la misma. La inclinacion α de la barrase puede manipular actuando sobre la posicion angular θ del

Figura 12. Modelo experimental del motor de corriente conti-nua en Simulink.

motor, que esta acoplado mecanicamente mediante engranajesal extremo movil de la barra. Se puede medir la posicion x dela bola sobre la barra mediante un potenciometro situado enlos rieles. La bola hace las veces de cursor cortocircuitandolos elementos resistivos de dicho potenciometro. Ademas, sepuede medir tambien la posicion angular del motor medianteun segundo potenciometro conectado a su eje.

Figura 13. Sistema de la bola y la viga.

Figura 14. Esquema del sistema de la bola y la viga.

El modelo matematico de este proceso se obtiene realizando unbalance de las fuerzas que actuan sobre la bola:

mbd2r

dt2= −mbg sin(α)−Bb

dr

dt(10)

donde r corresponde a la distancia desde el pivote hasta labola, mb a la masa de la bola, Bb al coe ciente de friccionrozamiento entre la bola y la viga, y g a la aceleracion debida ala gravedad. Esta ecuacion se puede linealizar en torno a α=0,obteniendo la expresion siguiente:

mbd2r

dt2= −mbgα−Bb

dr

dt(11)

Dado que la barra esta ja al engranaje, y considerando re <<L, siendo re el radio del engranaje y L la longitud de la barra;la relacion entre el angulo de inclinacion de la barra y el angulodel eje del motor puede aproximarse como α = re

L θ. Teniendoen cuenta estas consideraciones y asumiendo en el origen en el


centro de la barra es posible formular la siguiente funcion detransferencia:

r(s)θ(s)

=−regmb

Ls(mbs+Bb)(12)

4. PRACTICAS PROPUESTAS

En esta seccion se describen las actividades pedagogicas di-senadas para realizar sobre los prototipos experimentales des-critos anteriormente. Los laboratorios virtuales y remotos quese van a presentar tienen en comun unos modos de funciona-mientos prede nidos, as´ como unos entornos de experimenta-cion con interfaces muy similares de forma que los alumnos losobserven con un unico entorno.

El uso combinado de todos estos laboratorios permiten realizarpracticas de los principales conceptos introducidos en un cursode control clasico y diferentes conceptos avanzados sobretodolos relacionados con el uso de las tecnicas de diseno en elcampo frecuencial.

4.1 Modos de funcionamiento

Todos los laboratorios ofrecen dos modos de funcionamientoclaramente diferenciados:

Modo Virtual: Aunque es transparente para el estudiante,en este modo el estudiante trabaja utilizando un mode-lo numerico del comportamiento del sistema. La vistacorresponde a un modelo geometrico y un conjunto degra cas cuantitativas que se van actualizando con los re-sultados del modelo numerico.

Este modo es de gran interes como herramienta deprimer contacto y validacion de calculos anal´ticos. Dadoque el uso de este modo no consume recursos de la red nodispone de restricciones de acceso.Modo Remoto: En este modo el estudiante trabaja con unaplanta real situada en alguna de las universidades de la red.El acceso a la planta remota se realiza mediante el mismoentorno utilizado en el Modo Virtual lo que simpli ca elacceso y uso del laboratorio, pues los estudiantes ya loconocen.

Unicamente se permite a los estudiantes acceder al la-boratorio remoto una vez hay completado satisfactoria-mente las diferentes actividades en el Modo Virtual. Estamanera permite reducir el tiempo que necesita el estudian-te la planta real.

En cada uno de estos dos modos existen, a su vez, dos modoscomplementarios referidos al control:

Modo Manual: El modo manual permite realizar ensayosde lazo abierto. Este tipo de ensayos tiene dos objetivospedagogicos, el primero de ellos es visualizar la necesidadde un control en lazo y el segundo es la obtencion demodelos del comportamiento del sistema que sirvan debase para el diseno de controladores.

Aunque Automatl@bs incorpora plantas de diferentenaturaleza, las utilizadas en estos laboratorios son plantasmecanicas simples, por ello su comportamiento puede serdescrito por modelos de primer orden cuando la salida esvelocidad, ω(s)

V (s) =kω

τs+1 o bien de segundo orden cuando

la salida es posicion θ(s)V (s) =

kθ

s(τs+1) .Los parametros de estos modelos se obtienen de forma

diferente en funcion de la practica a realizar, as´ en el

servomotor se obtiene mediante identi cacion parametri-ca a partir de la observacion de la respuesta del sistemafrente a diferentes senales de entrada, en la bola y vigase calculan a partir de los parametros f´sicos y se ana-liza la in uencia de ciertos parametros como la fricciono la inercia, y nalmente en el rotoiman el modelo seofrece ya disenado y se utiliza este modo para analizarlas caracter´sticas frecuenciales de la resulta del sistemacuando este esta sometido a perturbaciones de excitacionpermanente.Modo Automatico: El modo automatico permite realizarensayos de lazo cerrado utilizando diferentes controlado-res.

A partir de los modelos obtenidos mediante los ensayosen Modo Manual es posible analizar la estabilidad delazo cerrado y disenar controladores para que cumpladiferentes especi caciones.

En las practicas del servomotor y la bola y viga se utili-zan los polos de lazo cerrado como herramienta de estudiode la estabilidad. Dado que se utilizan controladores debajo orden P, PI, PID es posible realizar este tipo de estu-dio anal´ticamente. Todo el proceso se realiza utilizandoel formalismo de tiempo continuo. En contrapartida, en lapractica del rotoiman se utiliza el campo frecuencial y elformalismo de tiempo discreto para realizar el estudio deestabilidad y el diseno de controladores.

En las practicas del servomotor y la bola y viga se anali-za el tipo de control necesario para alcanzar las especi ca-ciones necesarias en funcion del tipo del sistema. En estasdos practicas se pretende seguir referencias constantes,para ello es su ciente la introduccion de la parte integralen los sistemas de tipo 0, salida velocidad, (control PI oPID) y el P o PD en las plantas de tipo 1, salida posicion.En contrapartida las practicas del rotoiman se centran enmostrar las limitaciones del control PID para el rechazo deperturbaciones no constantes, y la introduccion del controlresonante y el control repetitivo con el n de rechazarperturbaciones de caracter periodico.

4.2 Entornos de experimentacion

Las aplicaciones desarrolladas tienen dos partes bien diferen-ciadas (ver Figura 15). En la parte de la izquierda (que se deno-minara a partir de ahora ventana de representacion) se puedeobservar un esquema del sistema (en este caso, la bola y laviga). En la parte de la derecha (que se denominara ventana deevolucion) se muestra la evolucion de las principales variablesdel proceso.

En la parte de la superior de la ventana de representacionse puede observar un esquema del sistema que cambiara enfuncion del estado del proceso. En la parte inferior hay unpanel con una serie de botones que se van a utilizar paraactuar sobre el sistema, y que seran diferentes segun el procesoconcreto que se vaya a emplear. Aunque el panel de botoneses diferente segun la planta, todas ellas tienen una serie deopciones comunes.

Entre esas opciones comunes nos encontramos con los botonesque permiten al usuario controlar las operaciones principalessobre la evolucion del sistema. En concreto puede realizar lasacciones siguientes:

Play. Sirve para iniciar la simulacion.Pause. Sirve para establecer una pausa en la simulacion.


Figura 15. Interfaz de la aplicacion para el sistema de la bola yla viga.

Reset. Sirve para resetear la simulacion o conexion remotaque se este llevando a cabo e iniciar de nuevo el trabajodesde cero.Connect. Si no se presiona este boton, al pulsar el Playla aplicacion funciona en modo simulacion, por lo tanto,se esta ejecutando la aplicacion como laboratorio virtual.Si se presiona, permite la conexion con la planta en modoremoto (utilizando el sistema real que se encuentra en ellaboratorio) una vez superado el control de acceso. Lasclaves de acceso se facilitaran cuando se permita el accesoa la planta a un determinado estudiante. Es importantenotar tambien que cuando se esta trabajando en modoremoto los botones de Play, Pause y Reset no estan activos.Disconnect. Durante el tiempo que la planta esta trabajan-do en modo remoto, el boton Connect se sustituye por elde Disconnect que sirve para parar el funcionamiento dellaboratorio y regresar a modo simulacion.

Gracias a estos dos ultimos botones se permite el cambio entrelos modos de funcionamiento anteriormente descritos, que en lainterfaz se traduce en dos formas de visualizacion de la planta(ver gura 1):

En modo virtual. Las plantas se muestran de forma simu-lada tal y como aparece en la gura 15. Cuando se trabajaen este modo, el sistema opera localmente y evoluciona enbase a un modelo matematico del proceso.En modo remoto (usando la conexion por Video). Semuestra la planta real que esta en el laboratorio remoto.Este modo de funcionamiento se muestra la imagen to-mada por v´deo de la planta real que se encuentra en ellaboratorio. En la parte central de la ventana de represen-tacion, aparece una descripcion que indica el estado delv´deo.

Ademas de otros botones espec´ cos para la operacion de cadaplanta, por debajo de las pestanas de operacion del sistema,aparece una l´nea informativa donde se expl´cita el modo deoperacion del sistema en todo momento. Si se encuentra enmodo simulacion, tal y como ocurre en la gura 15, aparecera lafrase: Status Lab: Simulation Mode. No obstante, en caso de

operar en forma remota sera este el estado que se muestre(Status Lab: Remote Mode with labserver).

A la derecha de la ventana de representacion esta la ventanade evolucion del sistema, en la que se muestra, como su propionombre indica la evolucion de las variables mas importantesdel proceso. En su menu de archivos (parte superior de laventana de evolucion) se encuentra la opcion Control, cuyomenu desplegable permite realizar dos posibles acciones sobreel sistema (modos de control complementarios anteriormentedescritos): manual o automatico. Debajo del menu de archivosde la ventana se encuentran gra cas en las que se recogela evolucion de las variables mas importantes del proceso.Debajo de ambas gra cas se muestran un conjunto de camposnumericos que indican el valor de las distintas variables deinteres del proceso.

Finalmente, debajo de estos campos numericos aparece unmensaje que indica el tiempo restante en minutos que nosqueda para operar con la planta si estamos trabajando en modoremoto. Este tiempo ira decreciendo mientras dure el transcursode la practica, para que el alumno conozca en todo momento eltiempo de conexion a planta del que dispone. No obstante, encaso de trabajar en modo simulacion este valor aparecera a 0.

A continuacion se muestran brevenmente los diferentes entor-nos desarrollados:

Rotoiman El entorno de desarrollado para este proceso, per-mite tanto virtual como remotamente realizar ensayos de lazoabierto, ensayos de lazo cerrado mediante controladores PI,controladores resonantes (Malo and Grino (2008)) o contro-ladores repetitivos (Costa-Castello et al. (2005)). La gura 16muestra el aspecto del entorno resultado de todo este procesoy que esta integrado en AutomatL@bs. En la parte izquierda sepuede observar la imagen del proceso simulado, as´ como lasdiferentes pestanas con opciones que permiten realizar los ex-perimentos ya enumerados. En la parte derecha se muestran lasvariables de interes del sistema (velocidad y accion de control),de forma gra ca y numerica. Tanto virtual como remotamenteel entorno permite realizar ensayos de lazo abierto, ensayos delazo cerrado mediante controladores PI, controladores resonan-tes (Malo and Grino, 2008) o controladores repetitivos (Costa-Castello et al., 2005).

Motor de corriente continua Sobre este sistema se han im-plementado los siguientes experimentos:

Control en posicionControl en velocidadIdenti cacion del sistema en lazo abierto

Cada uno de estos experimentos se puede realizar a traves de lainterfaz (vease gura 1) tanto en modo virtual como en modoremoto. Como se observa, la interfaz es similar al del restode sistemas f´sicos integrados dentro del laboratorio remoto decontrol. En la parte izquierda de la consola se observa la imagendel motor y superpuesto en realidad aumentada las senales dereferencia as´ como la posicion o velocidad a la que gira elmotor. En la parte derecha de esta consola se presentan lasvariables del sistema (posicion o velocidad en funcion del tipode experimento seleccionado), y la accion de control. En laparte inferior izquierda se disponen un conjunto de botones ybarras de desplazamiento de manera que se posibilita el accesoa la con guracion de los diferentes parametros de control encada uno de los experimentos implementados, as´ como los


Figura 16. Laboratorio virtual/remoto del rotoiman.

botones que permiten lanzar el experimento bien en modovirtual o en modo remoto tras efectuar la conexion.

Sistema Bola y Viga La aplicacion tiene en la parte superiorizquierda un esquema del sistema de la bola y la viga (ver gura15), en donde la posicion de la bola sobre la viga cambiara enfuncion del estado del proceso. En la parte inferior izquierda,como peculiaridad de este proceso, tienen dos pestanas: CON-TROL y PID. En la pestana CONTROL se proporciona unconjunto de sliders, o barras de desplazamiento, as´ como unaserie de botones que permiten de nir diversas situaciones en ladinamica del proceso (por ejemplo, considerar o no que existerozamiento). En la pestana PID se proporcionan tres camposnumericos que permiten variar los parametros de los controla-dores asociados al control automatico de posicion. Se puede porlo tanto variar la ganancia propocional (Kp), el tiempo integral(Ti) y el tiempo derivativo (Td). Inicialmente tendran asignadosunos valores que permiten operar con el sistema de una formarazonable.

Figura 17. Pestana PID.

En la parte de la derecha se muestra la evolucion de las prin-cipales variables del proceso (posicion, velocidad, velocidadangular, etc.), tanto de forma gra ca como numerica.

El problema de control que se propone en el sistema de la bolay la viga es controlar la posicion donde se encuentra la bolasobre la viga. Para ello tanto en el laboratorio virtual comoen el remoto (Figura 15) se permiten realizar los siguientesexperimentos:

Operacion en lazo abierto. En este modo el usuario vaconsignando manualmente el valor de θ, ello permiteanalizar la respuesta del sistema en lazo abierto.

Control utilizando un controlador de posicion. El contro-lador que se propone para controlar la posicion de la bolaes un PD, C(s) = Kp(1 + Tds), o un PID , C(s) =Kp(1 + 1

Tis+ Tds). Si la eleccion de los parametros

del controlador es adecuada, el sistema sera estable y noexistira error en regimen estacionario. Concretamente, lasraćes de la ecuacion caracter´stica del sistema cuando seemplea un regulador de tipo PD se corresponden con lasiguiente expresion:Lmbs

2 + (LBb −KpTdregmb)s−Kpregmb = 0 (13)

5. CONCLUSION

En este artćulo se han presentado diferentes laboratorios re-motos de control para la realizacion de practicas docentes atraves de internet. Una de las caracter´sticas principales deestos laboratorios remotos de control es que todos ellos se hancon gurado mediante una interfaz de acceso comun desarro-llada en Easy Java Simulations, de manera que el estudianterealiza las practicas con los diferentes laboratorios de la mismamanera independientemente de como se tenga con gurado ellaboratorio f´sico real. En este sentido, y a modo de ejemplo,se proponen en este artćulo tres formas diferentes de acceso alos laboratorios reales: mediante Matlab, a traves de Labview, ydirectamente con C/C++. La principal ventaja de esta forma deactuacion consiste en que se reducen los tiempos de desarrollode laboratorios remotos de control, al independizar el accesoremoto mediante una plataforma comun desarrollada en EJS,del acceso local de cada una de las maquetas o dispositivosf´sicos que puede implementarse mediante el uso de diferentesherramientas como las presentadas en este artćulo. En estesentido, el acceso a los diferentes equipos f´sicos, as´ comolas practicas y experimentos a desarrollar sobre los mismos, seencuentran homogeneamente estructurados tanto en su accesoe interfaz permitiendo que el estudiante dedique el maximotiempo posible a los aspectos relacionados con el analisis einterpretacion de los resultados alcanzados al realizar las practi-cas remotas con los diferentes equipos. Los equipos utilizadosen el laboratorio remoto han sido un Rotoiman, un Motor deCorriente continua, y un sistema Bola y Viga.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido realizado parcialmente gracias a los pro-yectos CICYT DPI2007-62582 (Ministerio de Ciencia y Tec-nologá) e Incorporacion de un laboratorio remoto en la red delaboratorios remotos y virtuales: Automat@Labs (UPC 2008).

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