Desarrollo de prototipos de laboratorio en el Centro de Servicios Experimentales del DCA.

RUBEN GARRIDO

CINVESTAVDepartamento de Control Automático

Plan de la Exposición ¿Para qué sirven los prototipos de

laboratorio? Simulaciones numéricas VS

Esperimentos en tiempo real Soluciones llave en mano VS soluciones

a la medida. Naturaleza de los prototipos. Plataforma de programación. Caso de estudio: Sistemas

Electromecánicos.

¿Para qué sirven los prototipos de laboratorio en

Control Automático?Sirven para: Probar algoritmos de control e

identificación en condiciones reales.

Complementar los resultados obtenidos en simulaciones numéricas.

Ilustrar algunos de los aspectos relevantes del Control Automático.

Permiten: Evaluar rápidamente una ley de

control. Obtener información sobre un

modelo. Optimizar las ganancias de un

controlador antes de su puesta a punto en tiempo real.

SIMULACIONES NUMERICAS

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Observaciones: Si el modelo de la planta modelada o bajo

control no es realista, las conclusiones obtenidas pueden ser erróneas.

Generalmente no se ejecutan en tiempo real. Deben realizarse mediante algoritmos

numéricos adecuados. Unico recurso cuando los sistemas o plantas

simulados no están disponibles o no existen.

SIMULACIONES NUMERICAS

Condiciones de la experimentación: Dinámicas no modeladas: Dinámicas de actuadores y circuitos de

medición, retardos en el tiempo de cálculo, discretización espacial y temporal.

Ruido de medición: Muchos captores presentan variaciones importantes en la salida que producen.

No todas las variables se pueden medir: Uso de filtros y observadores.

EXPERIMENTOS EN TIEMPO REAL

Condiciones de la experimentación: Potencia de cálculo limitada. Potencia de actuación limitada. Controladores

discretizados cuando se ejecutan en procesadores digitales: frequencia de muestreo.

Perturbaciones: Cambios de iluminación y temperatura del medio ambiente, radiación electromagnética.

Incertidumbre o desconocimiento de los parámetros de los modelos asociados a los prototipos. Incertidumbres estructurales.

EXPERIMENTOS EN TIEMPO REAL

Soluciones llave en mano VS

Soluciones a la medida.

Soluciones llave en mano: El prototipo es comprado.

Soluciones a la medida: El prototipo es construido en todas sus partes o mediante la integración de componentes.

Soluciones llave en mano.

Características de los prototipos

• Alto costo, generalmente son importados.

• En algunos casos pueden utilizarse inmediatamente con muy poco esfuerzo del usuario.

• Algunas veces el fabricante también vende la plataforma de programación.

• Otras veces el usuario debe proveer la plataforma de programación.

Soluciones llave en mano.

Características de los prototipos

• No siempre son de fabricación robusta.

• Pueden tener limitaciones funcionales. No se pueden modificar fácilmente.

• Pueden estar orientados a un fin específico.

• Su documentación puede estar incompleta o solo cubre el funcionamiento básico.

Soluciones llave en mano.

Características de los prototipos

• Su documentación puede ofrecer modelos con parámetros previamente identificados.

• En caso de descompostura puede ser necesario su envío al proveedor (generalmente en el extranjero).

Soluciones a la medida.

Características de los prototipos

• Costo de acuerdo a las necesidades y presupuesto.

• Necesitan de un tiempo de desarrollo que dependerá de la experiencia de los diseñadores: know how.

• El usuario debe proveer la plataforma de programación. También se puede optar por la compra de esta plataforma.

Características de los prototipos

• La fabricación puede hacerse según las especificaciones del usuario.

• Se pueden modificar fácilmente. Son abiertos.

• Pueden ser multifuncionales.

• La documentación puede ser elaborada por el usuario.

Soluciones a la medida.

Características de los prototipos

• Se deben obtener sus modelos y posteriormente identificar sus parámetros.

• En caso de descompostura pueden ser reparados generalmente sin muchos problemas.

• Su construcción necesita de la compra de componentes que muchas veces son de importación y no siempre son baratos.

Soluciones a la medida.

Elección del tipo de Prototipo.

Prototipos para:

•Enseñanza.

•Investigación.

Prototipos para enseñanza.

Características:

• No muy complejos.

• Modelos matemáticos simples.

• Bajo a mediano costo: Disponibilidad de varios prototipos iguales.

• Mantenimiento bajo.

• Robustos (a prueba de estudiantes y profesores)

• No deben representar peligro para el usuario.

Prototipos para investigación.

Características:

• Elección dependiente del tema de investigación.

• Modelos matemáticos simples o muy complicados.

• No siempre son baratos.

• Deben ser robustos. Fragilidad: Realización del trabajo de investigación comprometida.

• Idealmente deben ser abiertos: Todas las posibilidades de conexión,experimentación y programación disponibles.

Naturaleza de los prototipos

Algunos ejemplos:

• Sistemas electromecánicos.

• Sistemas térmicos.

• Sistemas hidráulicos.

• Sistemas químicos y biotecnológicos.

• Combinaciones de los anteriores.

Sistemas electromecánicos• Modelos matemáticos relativamente sencillos.

• Tiempo de respuesta rápido.

• Mantenimiento bajo.

• No siempre necesitan de condiciones especiales de laboratorio: Ventilación, temperatura, iluminación.

• Evaluación visual de su funcionamiento: Atractivos para la enseñanza.

Sistemas térmicos• Modelos matemáticos relativamente sencillos (retardos de tiempo).

• Tiempos de respuesta largos.

• Mantenimiento bajo, casi siempre sin partes en movimiento.

• Pueden ser afectados por la temperatura.

• Su funcionamiento no se puede evaluar visualmente: no muy atractivos para la enseñanza.

Sistemas hidráulicos• Modelos matemáticos relativamente sencillos a complicados.

• Tiempo de respuesta mediano o largo.

• Mantenimiento alto: Recambio de fluidos, Contaminación, fugas.

• Pueden ser peligrosos si los fluidos son flamables: Líquido de cilindros hidráulicos.

• Pueden ser afectados por la temperatura.

• Su funcionamiento se puede evaluar visualmente.

Sistemas químicos y biotecnológicos

• Modelos matemáticos relativamente sencillos pero dinámica real complicada.

• Tiempo de respuesta mediano a muy largo.

• Costo de mantenimiento alto: Consumibles, contaminación de cepas, posibilidad de explosión.

• Necesitan de condiciones de laboratorio especiales: Seguridad, ventilación.

• Generalmente su funcionamiento no se puede evaluar visualmente.

Elección de la plataforma de programación

Los dos componentes principales:

•Soporte material (Hardware)

•Soporte de programación (Software)

Aspecto importante:

•Obsolecencia.

Soporte material

Existen varias posibilidades:

• Computadoras personales dotadas de tarjetas de adquisición de datos.

• Procesadores digitales de señal (Digital Signal Processors)

• Microprocesadores y microcontroladores.

• Arreglos de compuertas programables (Field Programmable Gate Arrays)

Soporte de programación

Algunas opciones:

• Programación en lenguajes de alto nivel estándares: C, C++, Visual Basic.

• MatLab (RTI Toolbox)

• MatLab (Wincon)

• Labview

Caso de estudio: Servomecanismo de Corriente Directa

Consideraciones generales.

• Modelo matemático.

• Elección de los recursos materiales requeridos y Fabricación.

• Ambiente de programación.

• Integración de componentes comprados, y fabricados en el CSE.

Esquema básico de un servomecanismo

Retroalimentación

Carga mecánica

Alimentación CD

Controlador

Amplificador de potencia

Motor de CD

Sensor deposición

Señal de control

Mecanismo de transmisión

Posición deseada

aR

aL

+ aV

-

M

eT

LT

mJ

mB

ai

+ bV

- -

Esquema para un servomecanismo de corriente directa sin la electrónica de potencia

aba

aaa VVdt

diLiR

eLmm TTdt

dB

dt

dJ

2

2

ae KiT

b b

dV K

dt

Subsistema eléctrico

Subsistema mecánico

Relación Par-Corriente

Fuerza Contraelectromotriz

Modelo Lineal basado en ecuaciones diferenciales

Modelo Lineal basado en función de transferencia.

)()(

)(2 KKBRsJRsBLsJLs

K

sV

s

bmamamamaa

Modelo de tercer orden

Modelo de segundo orden

ass

b

JR

KKBRss

JR

K

sV

s

ma

bma

ma

a

)(

)(

Recursos materialesMotor de Corriente directa de

escobillas:

• Costo moderado.

• Modelo matemático lineal.

• Electrónica de potencia no complicada.

• Captores para la medición de posición y velocidades angulares disponibles.

• Se debe considerar el montaje del captor de posición y de una inercia.

Recursos materiales

Decodificador de posición óptico:

• Costo moderado.

• Señal de salida digital intrínseca e incremental.

• Es la tecnología más empleada en la industria.

• Prácticamente sin desgaste.

• Requiere de circuitos especiales para su interconexión con un procesador digital.

Recursos materialesDecodificador de posición óptico:

Recursos materialesDecodificador de posición óptico:

Principio de funcionamiento

Recursos materialesAmplificador de Potencia:

• Costo moderado.

• Funcionamiento por modulación de ancho de pulso: Alta eficiencia. Ampliamente usado en la industria.

• Señal de entrada de ± 10V.

• Configurable en modo voltaje o modo corriente.

• Se deben considerar la fuente de alimentación, la conectividad necesaria y una envolvente metálica.

Configuración tipo H utilizada en amplificadores conmutados

Ejemplo de amplificador de potencia conmutado

Recursos materiales

Amplificador de potencia integrado

Recursos materialesAislamiento galvánico:

• Diseñado y fabricado en el CSE.

• Permite conectar el amplificador de potencia al sistema de control.

• Es una barrera que evita que los voltajes y corrientes en la parte de potencia afecten al sistema de control.

• Puede amplificar la señal de control.

Plataforma de programación.Soporte Material:

• 2 Computadoras personales de 600 Mhz enlazadas vía TCP-IP:

•Computadora Servidor (Programación, Visualización),

•Computadora Cliente: Aloja la tarjeta de adquisición de datos.

• Tarjeta de adquisición de datos SERVOTOGO: Convertidores A/D y D/A de 12 bits, Circuitos de entrada para decodificadores ópticos, canales digitales E/S, bus ISA.

Plataforma de programación.Soporte de programación.

• MatLab/Simulink 5.2 y Wincon (Quanser): Programación Gráfica.

• Windows 95.

• Lenguaje C.

• Librerías de la tarjeta de adquisición de datos para Wincon: desarrolladas en el CSE.

PC

Wincon Client

ServoToGo

DA CSE Motor de CDISO 124

Decodificadoróptico

ki

( )refi

PI

i

Circuito para decodificador óptico

u

:posición angular realy

:posición angular (tren de pulsos)y

Arquitectura de la plataforma de experimentación

para el control en posición

TCP/IP

Medición de posiciónSeñal

de control

Computadora Cliente

Computadora Servidor

Arquitectura de la plataforma de experimentación

para el control en posición

ISO 124

AMPD/A MotorDecodificador

óptico

Computadora Cliente.

Algoritmo de control

yu

Circuito para decodificador óptico

b

s apKr ye u

1

s

dK

y

Ejemplo de aplicación: Control Proporcional Derivativo

Control Proporcional Derivativo

b

s apKr ye u

1

s

dK

y

:Señaldecontrolu

:errore:Ganancia ProporcionalpK

:Ganancia DerivativadK

Servomecanismo

:Posición deseadar

:Posición mediday

Control en lazo cerrado de un sistema de segundo orden en simulación: Control Proporcional Derivativo.

2

( )( )

( )p

d p

K bY sF s

R s s as K bs K b

: amortiguamiento.da K b : Rigidez.pK b

Control Proporcional Derivativo: Diagrama Simulink de simulación numérica.

Respuesta amortiguada:

ω 4 1n

1.3333 0.6542p dK K 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Tiempo ms

Sal

ida

Control Proporcional Derivativo: Resultados de simulación.

Control Proporcional Derivativo: Diagrama Simulink de control en tiempo real.

Conexión al prototipo

Estimador de la velocidad

Control Proporcional Derivativo: Resultados Experimentales.

Respuesta subamortiguada

Respuesta críticamente amortiguada

GRACIAS