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Ensee Conceptos Difciles: Control de Ciclo Cerrado con LabVIEW y un Motor DCFecha de Publicacin: abr 23, 2012

Visin General

Los conceptos de control son esenciales para comprender sistemas naturales y artificiales. Ya que el control es un campo desistemas, para tener una completa apreciacin del control es necesario cubrir la teora y las aplicaciones. La principal habilidadrequerida en el control, incluye modelado, diseo de control, simulacin, implementacin, sintonizacin y operacin de un sistemade control. Este tutorial muestra cmo estos conceptos pueden ser impartidos a los estudiantes a travs del uso de una tarjetainsertable de Motor DC Quanser para el NI ELVIS, Diseo de Control y Simulacin de LabVIEW con LabVIEW MathScript RT.Tradicionalmente, sintonizar un controlador requiere mltiples iteraciones y prueba y error para llegar a la perfeccin. Sinembargo, LabVIEW le permite afinar su controlador en tiempo real y despus ir directamente a la verificacin con una perfectaintegracin con hardware.

Al finalizar este tutorial usted lograr:Modelar un motor DCDisear un controlador PI de ciclo cerradoSintonizar el controlador en simulacinImplementar su controlador con motor DC

Contenido

Solution Block Diagram VI Snippet

Descargue programas ejemplo y siga el tutorial a continuacin para reproducir el laboratorio demostrado en el video de arriba.Paso 1 - Modelado

El primer paso para disear un controlador de ciclo cerrado es identificar una representacin matemtica de la planta o crear unmodelo. Varios tipos de sistemas pueden ser modelados, incluyendo sistemas mecnicos, circuitos electrnicos, filtros analgicosy digitales y sistemas trmicos y de fluidos. Para este experimento, vamos a crear un modelo para un motor DC.El motor DC puede ser representado de mejor manera a travs de una funcin de transferencia. Una funcin de transferenciabrinda una descripcin matemtica sobre cmo son relacionadas las entradas y las salidas del sistema. En nuestro caso, laentrada al sistema es voltaje (Vm) y la salida desde el sistema es una velocidad angular (m). Podemos usar la ecuacin acontinuacin para representar el modelo de nuestro Motor DC donde:

km = Constante del EMF al Motor (V/(rad/s))Rm = Resistencia de armadura del Motor (Ohms)Jeq = Momento equivalente de inercia (kg*m2) (Dado que Jeq=Jm (momento de inercia de la armadura del Motor))

Figura 1. Modelo Matemtico o Funcin de Transferencia para un Motor DCEste modelo ser usado para disear un controlador de ciclo cerrado, el cual puede ser probado con el motor actual. Podemosrepresentar esta funcin de transferencia en LabVIEW al usar un nodo MathScript, el cual es parte del Mdulo LabVIEWMathScript RT. Los valores del parmetro de entrada fueron obtenidos en la hoja de especificaciones del Motor DC Quanser.

Figura 2. Modelo del Motor DC representado en el Nodo LabVIEW MathScript.El nodo MathScript se puede encontrar en la paleta >> . Programming StructuresPaso 2 - Diseo de Control

El siguiente paso es escoger un mtodo de control y disear un controlador. Al disear un controlador es mejor conocercompletamente la planta, en nuestro caso, el Motor DC. Este conocimiento se obtiene del anlisis de grficas especializadas,

como Bode, lugar de las races y Nyquist, las cuales forman una intuicin de cmo la planta puede comportarse. Las grficas en

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como Bode, lugar de las races y Nyquist, las cuales forman una intuicin de cmo la planta puede comportarse. Las grficas enel dominio del tiempo, como la respuesta de pasos, ofrecen retroalimentacin inmediata sobre el comportamiento ideal delsistema, como tiempo de incremento, sobreimpulso, tiempo de asentamiento y error de estado estable.

Figura 3: Esquemticos de un Sistema de Control de Ciclo CerradoPara este experimento disearemos un controlador PI para nuestro motor DC usando el mdulo LabVIEW Control Design andSimulation. El Ciclo de Simulacin, el cual incluye un solucionador ODE integrado para manejar trminos integrales y derivativos,se puede encontrar en la paleta bajo . Los bloques de Funcin de Suma, Ganancia,Control Design and Simulation SimulationIntegrador y Transferencia tambin se pueden encontrar en la paleta bajo Control Design and Simulation Simulation >> Signal

y . Arithmetic Simulation >> Continuous Linear Systems

Figura 4: Controlador PI de Ciclo Cerrado en Diseo de Control y Simulacin de LabVIEW Paso 3 - Simulacin

El siguiente paso es simular la respuesta del Motor DC al modificar el punto de inicio o entrada de velocidad deseada. Esto nospermitir afinar los parmetros del controlador o ganancias para incrementar la robustez de nuestro sistema. Necesitaremoscombinar la Funcin de Transferencia o modelo del motor DC que creamos en el Paso 1 con nuestro controlador de ciclocerrado.

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Figura 5: Controlador PI de Ciclo Cerrado con Funcin de Transferencia de Motor DCPaso 4 - Afinacin y Verificacin

Ahora que podemos simular nuestro controlador y la respuesta del motor DC, podemos seguir un proceso repetitivo paraoptimizar nuestro controlador. Afinaremos los parmetros del controlador desde el panel frontal de LabVIEW al verificar elrendimiento del sistema.

Figura 6: Un Proceso Repetitivo para Optimizar el ControladorPodemos usar los siguientes pasos para afinar nuestros parmetros del controlador:

Comience con ganancias establecidas en: Kp = 1 y Ki = 0Ganancia Proporcional de Incremento (Kp) para obtener el tiempo de incremento deseadoGanancia Integral de Incremento (Ki) para reducir error de estado estable de ser necesario

Una vez que ejecutamos el programa, podemos ver graficada la velocidad del motor deseada y la velocidad del motor estimadaen la tabla de Forma de Onda. Mientras el tiempo de incremento se ve bien con nuestra ganancia proporcional, kp establecida en1, la grfica muestra una pequea cantidad de error de estado estable, el cual es representado por la diferencia entre los datosde velocidad deseada y los datos de velocidad estimada. Podemos reducir este error de estado estable al incrementar nuestraganancia integral, ki.

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Figura 7: Simular la Respuesta del Motor DC con un Controlador Proporcional (P) Si incrementamos la ganancia integral, ki a 10, podemos tener una mucho mejor respuesta del sistema.

Figura 8: Simular la Respuesta del Motor DC con un Controlador Proporcional-Integral (PI)Paso 5 - Implementacin

Ahora que hemos verificado que nuestro controlador PI funciona con la respuesta del motor DC simulado, podemos implementarnuestro sistema de control finalizado y controlar la velocidad de nuestra tarjeta insertable del Motor DC Quanser para NI ELVIS.El Mdulo LabVIEW Control Design and Simulation puede ser usado para controlar sistemas reales, as como modelossimulados. Para migrar desde control simulado a control real, el modelo de planta puede ser reemplazado con funciones deentrada y salida de hardware. En este caso, vamos a reemplazar la funcin de transferencia representando el motor DC con VIsde entrada y salida de Adquisicin de Datos (DAQ) que controlan el motor actual.

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Figura 9: Migrar de Simulacin a Hardware Real al Reemplazar la Funcin de Transferencia con Bloques de Entrada/Salida deHardware

La temporizacin es una consideracin importante al usar el Ciclo de Diseo de Control y Simulacin de LabVIEW con hardwarereal. Debido a que el Ciclo de Diseo de Control y Simulacin utiliza un solucionador ODE integrado con pasos de tiempo, esimportante establecer los Parmetros de Simulacin y los Parmetros de Temporizacin del ciclo para que tengan el mismo pasode tiempo. Las tareas de adquisicin de datos generalmente utilizan parmetros de temporizacin, as que es importante igualarla temporizacin del ciclo de Simulacin con la temporizacin de la adquisicin de datos.Ahora podemos ejecutar el programa LabVIEW y controlar la velocidad del Motor DC Quanser desde el panel frontal deLabVIEW.

Figura 10: Respuesta del Motor DC Quanser Actual con nuestro Controlador PI de Ciclo Cerrado1. Solution Block Diagram VI Snippet

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Haga clic derecho en el VI Snippet de arriba y seleccione Save Image As... Ubique el archivo en su disco duro y seleccinelo yarrastre el cono del archivo a su Diagrama de Bloques de LabVIEW. LabVIEW generar automticamente el cdigo desde el VISnippet. Haga clic aqu para mayor informacin sobre VI Snippets.Siguientes Pasos

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