ServoHis : Un laboratorio Virtual para el estudio de
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1. Control Education IBCE 01 Madrid Spain 2001 pp 12 14 8 SERRANO C COSTA R AND NEZ L B Vrml java aplicaciones a la programaci n fuera de l nea de robots industriales In 6to Congreso de la Asociaci n Espa ola de Rob tica y Automatizaci n Tecnolog as de la producci n Barcelona Octubre 1999 AER pp 20 22 9 SLOTINE J J E AND LI W Nonlinear Applied Control Prentice Hall 1991 TORRES F CANDELAS F A POMARES J PUENTE S T ORTIZ F G AND GIL P Laboratorio virtual remoto para la ense anza de rob tica In Actas de de las III Jornadas de Trabajo EIWISA 02 Alicante Espa a 18 19 Abril 2002 VALL S M VALERA A AND D EZ J Desarrollo y control de procesos virtuales mediante matlab web server In Actas de de las II Jornadas de Trabajo EIWISA 02 Alicante Espa a 18 19 Abril 2002 10 112. 02 REFERENCES 1 ESQUEMBRE F Creaci n de Simulaciones Interactivas en Java Apli caci n a la Ense anza de la F sica Pearson Prentice Hall Educaci n 2005 2 GIRALT X JOFRE D COSTA CASTELL R AND NEZ L B Proyecto de laboratorio remoto de autom tica Objetivos y arquitectura propuesta In MI Jornadas de Trabajo Ense anza v a Internet Web de la Ingenier a de Sistemas y Autom tica EIWISA 02 Universitat d Alacant Alacant ESPA A 8 19 Abril 2002 2002 pp 93 98 3 MANCH N R P GARC A L M J SCAR REINOSO GARC A AND PERIS C F Recolab Laboratorio de pr cticas de control de procesos v a internet In Actas de de las III Jornadas de Trabajo EIWISA 02 Alicante Espa a 18 19 Abril 2002 4 MART N C DORMIDO S PASTOR R S NCHEZ J AND ESQUEM BRE F sistema de levitaci n magn tica un laboratorio virtual en easy java simulation In XXIV Jornadas de Autom tica 2003 5 MAZA ALCA IZ J I DE CASTRO ORBEA A AND OLLERO BATURONE A Hetero v2 0 Herramienta para la tele ense anza de la rob tica In Actas de de las III Jornadas de Trabajo EIWISA 02 Alicante Espa a 18 19 Abril 2002 6 MCKEE G T Online robot educational environments In Actas de de las UI Jornadas de Trabajo EIWISA 02 Alicante Espa a 18 19 Abril 2002 7 S NCHEZ J AND DORMIDO F M S Teleoperation of an inverted pendulum through the world wide web In Workshop On Internet Based
3. ServoHis Un laboratorio Virtual para el estudio de servomecanismos con control rel Alba Escola Arnau Doria Cerezo Ramon Costa Castell Institut d Organitzaci i Control de Sistemes Industrials Dept d Enginyeria El ctrica 3 Dept d Enginyeria de Sistemes Autom tica i Inform tica Industrial UNIVERSITAT POLIT CNICA DE CATALUNYA Abstract En este trabajo se presenta un laboratorio virtual dise ado para ilustrar diferentes conceptos relacionados con el estudio de un servomecanismo con control tipo rel El laboratorio virtual se utiliza como complemento de la pr cticas experimentales La aplicaci n presentada busca un alto grado de interactividad y est desarrollada mediante el Easy Java Simulations EJS que permite una f cil programaci n y dise o Finalmente tambi n se proponen algunos ejercicios para realizar con el laboratorio virtual con el fin de poder experimentar algunos fen menos que pueden ocurrir en la pr ctica real I INTRODUCCI N Dentro de la ense anza de la Ingenier a y en particular de la Autom tica la realizaci n de actividades pr cticas experimentales que ilustren las exposiciones te ricas es de vital importancia y dif cilmente sustituible por otro tipo de actividades tales como la simulaci n o las clases magistrales 7 2 Sin embargo existen diferentes factores que dificultan la realizaci n de dichas actividades pr cticas El gran n mero de estudiantes y la reduc
4. al Figura 7 e el plano de fases del sistema 0 vs w Figura 8 El diagrama de bloques correspondiente a la configuraci n deseada lazo abierto cerrado sin con rel se muestra en la opci n Diagrama de bloques C An lisi mediante funci n descriptiva El an lisis mediante funci n descriptiva es una herramienta anal tica que predice y caracteriza la existencia de ciclos l mite y en su caso la amplitud y frecuencia de los mismos El sistema estudiado en las pr cticas presenta un comportamiento de ciclo l mite que podr ser caracterizado mediante estas herramientas La funci n descriptiva de un elemento no linial se define como la relaci n compleja entre la componente harm nica del elemento no linial y la entrada senoidal 9 que en el caso de la hist resis de la Figura 4 es 4 IN Na Pl A 5 2 TE Fig 6 w Apariencia de las gr ficas de la consigna posici n 0 y velocidad Error de posicio i sortida histeresis MUUN NUUN Fig 7 Apariencia de las gr ficas de error y la salida del boque de hist resis d nde A es la amplitud y w la frecuencia de la senoide de salida A partir de la expresi n 2 se calcula la funci n o y junto el diagrama de Nyquist del sistema se puede determinar la existencia de ciclos limites La herramienta desarrollada permite trazar el diagrama de Nyquist de la planta y la funci n ver Figura 9 Este c lculo permite hallar la frecuencia y a
5. e mediante el modo manual que permite la variaci n de la consigna de posici n En este ejercicio es aconsejable ver la influencia del par metro del controlador proporcional Ke en el com portamiento del sistema en el plano de fase 4 An lisis del comportamiento del sistema no lineal en lazo cerrado mediante Funci n Descriptiva Los estudiantes pueden observar el plano de Nyquist con la funci n descriptiva y detectar las caracter sticas principales del mismo Para ste an lisis la funci n descriptiva permite la predici n de c clos l mite Se propone ver la influencia de los par metros Vmax y del bloque rel en la gr fica del plano de Nyquist 5 An lisis de la dependencia de los par metros La variaci n de los diferentes par metros del sistema afectan a su comportamiento Identificar la influencia de los par metros K y 7 del sistema en el comportamiento lineal en lazo cerrado Observar el cambio en el com portamiento a medida que se va modificando el valor de en los par metros del bloque de histeresis Cabe mencionar que el laboratorio virtual se utiliza como herramienta para complementar las pr cticas presenciales y para ayudar a mejorar la intuici n de los estudiantes sobre el comportamiento del sistema y su relaci n con las herramientas de an lisis En ning n caso se pretende substituir el an lisis anal tico mediante el uso de simulaciones num ricas VI CONCLUSIONES En este trabajo se ha pres
6. entado un laboratorio virtual dise ado mediante el Easy Java Simulations que reproduce la planta utilizada en el laboratorio de el curso de Control Avan zado que se imparte en la ETSEIB Esta aplicaci n permite al estudiante analizar el comportamiento del sistema en lazo abierto lazo cerrado as como a adir un elemento no lineal al sistema Estas simulaciones permiten ilustrar diferentes conceptos como son lazo abierto cerrado el plano de fase o la funci n descriptiva Tambi n se han propuesto algunos ejemplos para poder ayudar en la comprensi n de los temas tratados en esta aplicaci n Este trabajo se enmarca dentro de un proyecto para el dise o de aplicaciones interactivas para la docencia Actualmente se est trabajando en el desarrollo de aplicaciones de sistemas de gesti n de la energ a convertidores de potencia y en t cnicas de control avanzado Sliding Mode Control VII AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido parcialmente financiado por los proyec tos Introducci n de la interactividad en el proceso de dise o e implementaci n de controladores ESAIIL 2006 Fichas de aprendizaje interactivo de teoria de sistemas lineales UPC 2005 2006 Dise o e implementaci n de laboratorios vir tuales para la ense anza de la ingenier a Medell n Colom bia CCD U 017 2007 Herramientas interactivas para el aprendizaje de la din mica y el control de los convertidores de potencia 2007MQD00046 y CICYT DPI2004 06871 C02
7. ida capacidad de los laboratorios docentes ya sea en medios o en espacio hace necesaria una elevada ocupaci n de dichos laboratorios Como contrapartida el uso intensivo de los laboratorios supone un coste econ mico importante y permanente debido a la necesidad de personal de atenci n y vigilancia lo que a veces resulta dif cil asumir A fin de obviar esta dificultad se ha extendido el inter s por poner en marcha plataformas que permitan la realizaci n de pr cticas virtuales con un contenido pedag gico similar al de las realizadas de forma presencial Las pr cticas virtuales facilitan a los estudiantes acceso a los laboratorios en horarios sin restricciones y un mayor n mero de veces La posibilidad de realizar pr cticas virtuales es de particular importancia en los cursos semipresenciales ya que introduce una flexibilidad imprescindible en este tipo de estudios Debido a todo ello en la actualidad se est n implantando numerosos laboratorios virtuales remotos para la realizaci n de pr cticas de Autom tica y en particular de Rob tica 6 10 aunque existen tambi n otros mbitos de aplicaci n como el dise o de controladores 7 3 11 2 La realizaci n de pr cticas virtuales requiere que el estu diante pueda percibir sensaciones an logas a las que tendr a frente al proceso f sico 7 En el mbito de la realizaci n de pr cticas virtuales esta realimentaci n sensorial se suele centrar principalmente en la visi
8. intensificaciones m s demandadas por los es tudiantes es la intensificaci n en autom tica Dicha intensi ficaci n est impartida por el departamento de Enginyeria de Sistemas Autom tica e Inform tica Industrial ESAID Para obtener el diploma asociado a dicha intensificaci n es necesario superar un total de 7 asignaturas Una de estas 7 asignaturas corresponde a la de Control Avanzado Dicha asignatura pretende introducir al estudiante en los conceptos avanzados de la teor a de control especialmente en la tem tica de control de sistemas no lineales Esta asignatura consta de 4 5 cr ditos te ricos y 1 5 cr ditos pr cticos El objectivo de la asignatura es complementar los conocimientos sobre control autom tico adquiridos en las asignaturas troncales Din mica de Sistemas y Control por Computador y en las otras asignaturas de la Intensificaci n de Autom tica mediante el estudio de algunas de las t cnicas actuales de control En concreto se pretende e Mostrar las posibilidades del control digital multivariable mediante la realimentaci n del estado los observadores y la realimentaci n de la salida e Proporcionar conocimientos b sicos sobre el an lisis y dise o de sistemas de control no lineal e Introducir al control adaptativo por modelo de referencia y con reguladores autosintonizados as como a los as pectos te ricos y pr cticos de la identificaci n en l nea de procesos Los contenidos concretos de las
9. mplitud de las oscilaciones del sistema Esta aplicaci n permite ver la evoluci n de las curvas en funci n de los diferentes par metros As los par metros de la planta y controlador proporcional K T o Ke que afectaran al diagrama de Nyquist mientras que los del bloque no linial 1 Vmax y 9 modificaran la curva gt V EJERCICIOS PR CTICOS Aunque la aplicaci n permite realizar diferentes tipos de ensayos su mayor uso se centra en complementar las pr cticas Pla de fases AS Eix T ak a pae d Fig 8 Apariencia de la gr fica del plano de fases 0 vs w Nyquist AS Funci de transfr ncia G gw Funci descriptiva Fig 9 Apariencia del diagrama de Nyquist y la funcion para el an lisi de la funci n descriptiva presenciales de la asignatura de Control Avanzado Dentro de este marco los experimentos que se plantean a los estudi antes son los siguientes 1 An lisis de los componentes en lazo abierto Los estudiantes realizan de una caracterizaci n de los diferentes elementos planta rel Esta caraterizaci n puede llevarse a cabo ulitizando los m todos de la respuesta temporal estudiando la respuesta al escal n o con m todos frecuenciales respuesta a una entrada senoidal Ambas posibilidades estan disponibles en esta aplicaci n que deben realizarse con el sistema en lazo abierto y comparando la respuesta con el elemento no lineal y
10. n 8 10 5 Dentro del mbito de la autom tica un tema de especial dificultad para los estudiantes es el relacionado con el control no lineal Con el fin de salvar estas dificultades es importante incrementar el n mero de pr cticas a realizar con el fin que los estudiantes interiorizen los conceptos de especial relevancia Uno de los temas m s com nmente analizados son los sistemas de control mediante rel por ello son objeto de estudio en la mayor a de asignaturas del rea En este art culo se presenta un laboratorio virtual desarrol lado mediante Easy Java Simulations EJS 1 que permite profundizar analizar el comportamiento de un sistema de control mediante rel La herramienta totalmente gr fica e in teractiva incorpora adem s herramientas de an lisis mediante plano de fases y funci n descriptiva El trabajo est estructurado de la manera siguiente en la secci n II se describen brevemente la herramientas utilizadas para el desarrollo de la aplicaci n en la secci n II se presenta el mbito para el que ha sido desarrollado el laboratorio remoto la secci n IV describe el laboratorio virtual estructura y funcionalidades la secci n V describe las pr cticas que se realizan con el laboratorio virtual y finalmente en la secci n VI se describen las principales conclusiones y las ampliaciones previstas para el futuro II DESARROLLO En el momento de plantearse el desarrollo de un laboratorio virtual con fi
11. nde a los elementos gr ficos que reflejan el comportamiento del modelo este componente se dise a mediante un modelo gr fico jer rquico integrado en EJS Finalmente la interactividad corresponde a un conjunto de elementos que pueden ser modificados por el usuario final dichos elementos permiten modificar par metros o provocar cambios el sistema de una forma sencilla e interactiva La vista y la interactividad del laboratorio virtual desarrol lado son motivo de estudio en las secciones siguientes III MBITO DE APLICACI N Fig 1 Sistema de control para el posicionamiento de un motor CC En la actualidad en la Escuela T cnica Superior de Inge nier a de Barcelona ETSEIB se imparten diferentes titulacio nes entre ellas destacan 1r y 2n ciclo la Ingeniero Industrial 1r y 2do ciclo Ingeniero Qu mico 2do ciclo Ingeniero de Materiales 1r y 2do ciclo Ingeniero Europeo de materiales 2do ciclo y Ingeniero en Organizaci n Industrial 2do ciclo En la titulaci n de Ingeniero industrial existentes diferentes tipos de asignaturas troncales definidas por el descriptor del BOB obligatorias definidas por el plan de estudios propio de la escuela optativas y asignaturas de libre elecci n En el plan 94 vigente en la actualidad no existen especialidades alterna tivamente se ofrecen intensificaciones dichas intensificaciones est n formadas por un conjunto de asignaturas optativas de tem tica af n Una de las
12. nes docentes es importante tener en cuenta que el laboratorio deber ser desarrollado y mantenido por el profesorado Este hecho introduce restricciones en el tipo de herramientas que pueden utilizarse Como objetivos colaterales es importante utilizar herramien tas no propietarias y multiplataforma Una herramienta que permite alcanzar todos estos objetivos es Easy JAVA Simulations EJS Una herramienta de software dise ada por Francisco Esquembre para la creaci n de simu laciones inform ticas en lenguaje JAVA 1 Es especialmente interesante desde el punto de vista pedag gico ya que posee un potente interfaz visual que permite representar gr fica e interactivamente la evoluci n de un sistema Aunque inicial mente fue dise ado para el campo de la f sica actualmente se est aplicando con xito en la ingenier a de control 4 entre otros campos Una aplicaci n EJS est compuesta por tres elementos prin cipales el modelo la vista y la interactividad El modelo im plementado por el desarrollador transparente para el usuario corresponde a la descripci n del sistema f sico y puede desar rollarse en EJS mediante la introducci n de un conjunto de ecuaciones diferenciales o mediante otros programas de sim ulaci n entre los que se incluye MATLAB Simulink en este trabajo se ha optado por introducir la ecuaciones diferenciales con el fin de permitir una ejecuci n independiente de software propietario La vista correspo
13. ntinua Mechanical Unit 33 100 Servo Fundamentals Trainer de Feedback Instruments Limited Figura 1 que es el equipo de pr cticas utilizado en las sesiones presenciales La herramienta presentada pretende acercar al alumno al funcionamiento de la planta y hacer in capi en el efecto de las no linealidades del sistema objectivos principales de la sesiones 3 y 4 IV EL LABORATORIO VIRTUAL A El modelo y el esquema de control utilizado En esta secci n se detalla primeramente el modelo para el motor de CC utilizado Seguidamente se muestran los diferentes bloques del esquema de control El modelo utilizado para el motor de CC s lo contempla la din mica de la parte mec nica ya que se considera que la parte el ctrica es mucho m s r pida Entonces este modelo corresponde a un sistema de primer orden G s K 618 E TS 1 con un integrador para obtener la posici n angular 0 ver Figura 2 El par metro N indica la reducci n que se aplica a la velocidad del motor respecto a la velocidad del indicador 1 Fig 2 Modelo utilizado para el motor CC El esquema de control consiste en una acci n proporcional y una funci n de hist resis ver Figura 3 Fig 3 Esquema de control utilizado El bloque rel representado en la Figura 4 a ade un comportamiento no lineal al sistema Esta no linealidad del sistema en lazo cerrado permite el estudio de los ciclos l mites mediante el uso de la funci n descrip
14. sesiones de teor a s n 1 T cnicas avanzadas de control 2 Sistemas multivariables de tiempo discreto 3 Propiedades de los sistemas 4 Asignaci n de polos 5 Introducci n a los sistemas no lineales 6 An lisis en el plano de fases 7 Teor a de estabilidad de liapunov 8 An lisis mediante la funci n descriptiva 9 Dise o de sistemas de control no lineal 10 Introducci n al control adaptativo 11 Control adaptativo 12 Identificaci n en l nea Los Trabajos Pr cticos de la asignatura se realizan en 5 sesiones de tres horas cada una en los laboratorios del departamento de ESAII en la ETSEIB Su contenido es el siguiente 1 Modelado linealizado de un sistema mutivariable y dise o y simulaci n de un sistema de control por rea limentaci n de estado 2 Dise o e implementaci n de un controlador por reali mentaci n de estado de un sistema mutivariable lineali zado usando un observador de estado 3 An lisis en el plano de fases de un servosistema no lineal de posici n angular 4 An lisis mediante la funci n descriptiva de un servosis tema no lineal de posici n angular 5 Implementaci n de un controlador no lineal de lineali zaci n por realimentaci n de estado de un sistema mutivariable no lineal El laboratorio virtual presentado en este art culo est dise ada para complementar las sesiones 3 y 4 Dicho labora torio representa un sistema de control para posicionamiento de un motor de corriente co
15. sin l La visualizaci n se puede realizar con l Para ello se ha desarrollado un manual de usuario que complementa el de las pr cticas presenciales las gr ficas de la consigna la posici n angular 0 y la velocitad Figura 6 Un punto interesante es ver y analizar la influencia de los diferentes par metros ganancias del controlador Ke y la planta K constante de tiempo T par metros del rel Vinax en la salida 2 An lisis del comportamiento del sistema lineal el lazo cerrado Se pide que los estudiantes caractericen el compor tamiento del sistema lineal tanto su respuesta temporal como su plano de fase Este ejercicio ser realiza con las mismas entradas uti lizadas para el ejercicio anterior escal n y senoidal El estudio a realizar en este caso se limita a la parte lineal as pues el rel debe estar siempre deshabilitado En este caso el comportamiento tambi n se puede visu alizar en la gr fica de la consigna la posici n angular 0 y la velocitad Figura 6 Adem s el uso de la gr fica del plano de fase permite otra visi n de la respuesta del sistema 3 An lisis del comportamiento del sistema no lineal en lazo cerrado mediante plano de fase Los estudiantes pueden observar el plano de fase y caracterizar sus caracter sticas El uso del plano de fase permite analizar las carac ter sticas de las oscilaciones debidas al uso del elemento tipo rel La mejor visualizaci n puede conseguirs
16. tiva V Vrot Fig 4 Bloque de hist resis B Descripci n de la aplicaci n La herramienta desarrollada se presenta en la Figura 5 En ella esta representado la apariencia real del sistema y una interf cie gr fica que permite modificar los valores de diferentes par metros del sistema ya sea la planta K y 7 o del controlador Ke o el ancho de hist resis 2 Desde la sw BFeedback soi l y n O S OO Tarn 3 a w Uta MIECUANICAL UNIT Central amp Insiumentation 33 100 mMode_de funcionament Consigna Fig 5 Apariencia de la pantalla principal de la aplicaci n misma pantalla principal se puede acceder a las propiedades de funcionamiento e Consigna senoidal e Realimentaci n lazo abierto o lazo cerrado e Hist resis activa o desactiva el bloque de hist resis manual o peri dica escal n rampa o En funci de las propiedades de funcionamiento elegidas los par metros que influyen en el comportamiento del sistema aparecen en la parte derecha de la aplicaci n El haber inte grado todos los componentes principales en la misma ventada permite al estudiante analizar la influencia de los diferentes par metros de una forma sencilla e interactiva Los resultados de la simulaci n se pueden obtener a partir de la opci n de gr ficas Las variables representadas s n e la consigna la posici n angular 0 y la velocitad ver Figura 6 e el error y la salida del bloque noline
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