El paradigma Simulacra

Author(s):
Alfredo Pérez Vega-Leal - Dpto. Ingeniería Electrónica, Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla
Fco. Rogelio Palomo Pinto - Dpto. Ingeniería Electrónica, Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla

Industry:

Products:

The Challenge:
Desarrollar Tecnología de Metamáquinas para Prototipado Rápido de Sistemas de Tiempo Real.

The Solution:
Metamáquina sobre PXI y NI LabVIEW Real-Time emulando una pila de combustible de 75 kW, utilizada para el desarrollo de un controlador electrónico de pila de combustible. Resumen: Se discute el paradigma Simulacra, consistente en el diseño de metamáquinas para emular otras máquinas en términos de señales E/S analógicas. Es un paradigma útil para técnicas de prototipado rápido. El paradigma se implementa sobre software LabVIEW Real-Time y hardware PXI. Se muestran los resultados experimentales obtenidos montando una simulacra de pila de combustible de 75 kW para un prototipo de controlador electrónico de pila de combustible.

Se discute el paradigma Simulacra, consistente en el diseño de metamáquinas para emular otras máquinas en términos de señales E/S analógicas. Es un paradigma útil para técnicas de prototipado rápido. El paradigma se implementa sobre software NI LabVIEW Real-Time y hardware PXI. Se muestran los resultados experimentales obtenidos montando una simulacra de pila de combustible de 75 kW para un prototipo de controlador electrónico de pila de combustible.

Una metamáquina analógica (MMA) pretende emular a cualquier máquina analógica de la que exista un modelo matemático. La emulación consiste en generar, en tiempo real, las señales de entrada/salida (E/S) idénticas al conjunto de señales manejadas por la máquina a emular (máquina objetivo, MO). El paradigma simulacra consiste en utilizar MMA’s para el diseño de otras máquinas auxiliares (MA) a la MO. Hablaremos de prototipado rápido con simulacras.
La denominación simulacra se inspira en la teoría de la representación expuesta por el filósofo frances Jean Baudrillard en su libro “Simulacra and Simulation”. En la cultura popular esta teoría de la representación ha sido el leit motiv de películas como Matrix o Nivel 13.
En todo producto tecnológico complejo se distinguen dos categorías de subsistemas: el subsistema principal (SP) y los subsistemas auxiliares (SA). Los SA’s se ocupan, entre otras tareas, de definir los modos de interacción del SP con el entorno. Se puede decir que los SA’s definen la interacción E/S del SP en términos de señales.
En un flujo de producción es necesario esperar a tener un prototipo del SP para poder realizar las pruebas de los prototipos de SA’s. Con el paradigma simulacra se emula el SP antes de que exista su prototipo, a partir de su modelo matemático (sistema dinámico). El diseño de los SA’s puede por tanto realizarse en paralelo al diseño del SP, con evidentes aumentos de productividad.
La MMA implementa una MO mediante dos subsistemas: un núcleo de proceso numérico y un conjunto de periféricos de E/S. Una MMA se denominará simulacra si pasa el test de simulacra: se interconecta un SA con la MMA emulando un SP. Si la dinámica medida de la SA es idéntica a su comportamiento cuando está conecta a un SP auténtico, tendremos que la MMA será una simulacra.
Se puede exponer el test de simulacra en términos cuantitativos. Se puede suponer sin pérdida de generalidad que los subsistemas de percepción de entorno de una máquina son temporalmente invariantes (TI). Siendo así, se puede definir un ancho de banda de E/S para esa máquina, RBWm . Se cumplirá el test de simulacra si:

Si los subsistemas de percepción de entorno de la máquina son , además LTI (Lineales e Invariantes en el Tiempo) se puede emplear el teorema de incertidumbre de tiempo/ancho de banda. Con este teorema se tiene una relación entre la escala temporal de percepción y el ancho de banda de percepción:

donde t es el tiempo de respuesta LTI y Kp es una constante fijada por los detalles del LTI. Combinando (1) y (2) tendremos que la escala temporal de percepción cumple:


de lo que se concluye que si todos los procesos de generación/recepción de señales de la metamáquina se realizan en un intervalo:

tendremos que la SA no podrá diferenciar entre la SP y la MMA; se habrá pasado el test de simulacra.
Si los sistemas de percepción de la SA no son LTI se puede fijar la escala temporal a partir de la respuesta de los periféricos de la MMA. Estos deberán cumplir la relación (1). Siempre se puede asegurar, por diseño, que la E/S de los periféricos pueda modelarse como un sistema LTI. Volverá a aparecer una relación como (2) aunque en este caso el valor concreto de Kp vendrá establecido por el modelo LTI del periférico.
La relación (4) se puede particularizar para los bloques constructivos de la MMA: el núcleo de proceso numérico, el conjunto de periféricos y las interfaces hardware/software entre ellos. Cada una de esas partes tendrá una escala temporal típica, es decir:

donde te/s es la escala temporal de los periféricos, tf es la escala temporal de los interfaces y tp es la escala temporal del proceso numérico. Uniéndolo todo, las relaciones de test de simulacra que debe cumplir cualquier MMA son:

El diagrama de bloques del sistema experimental se muestra en la figura 1. El sistema que emula tanto a la pila de combustible como al compresor está compuesto por dos controladores NI PXI-8186 con sistema operativo en tiempo real. Uno de ellos emula el comportamiento de la pila y el otro el del compresor. La emulación del compresor tiene como entrada la señal PWM de control generada por el controlador y, como salida, el caudal de aire en términos de un valor de tensión (“mean PWM” en la figura 2). La emulación pila tiene como entrada la corriente demandada por la carga y el valor de caudal de aire dado por el compresor en términos de tensión media de la señal PWM y, como salida, los valores de potencia, relación de exceso de oxígeno y valor de tensión en bornas (figura 3). El sistema de control, realizado físicamente, se conecta mediante señales analógicas a las emulaciones (tarjetas de adquisición NI PXI-6031E). El estímulo de entrada a todo el sistema es una corriente demandada por una carga y que se emula mediante el bucle formado por una fuente de tensión y una resistencia de 1Ω.

Los resultados de funcionamiento de la simulacra (sistema formado por máquinas reales y máquinas emuladas) se muestran en las figuras 2 y 3. En la figura 2 se muestra la demanda de corriente y el valor de operación del compresor en términos de tensión media de la señal PWM. En la figura 3 se muestran los valores de los parámetros de salida de la pila de combustible (potencia, relación de exceso de oxígeno y tensión en bornas).

La operación de los sistemas emulados se diseña y ejecuta con LabVIEW Real-Time. Para asegurar que se cumple con los requisitos de tiempo se ha realizado una traza con el LabVIEW Execution Trace Tool. Los resultados se muestran en la figura 4, donde puede comprobarse que las tareas que deben realizarse en cada iteración de entrada/salida son inferiores a los ts=20ms, muy por debajo del límite tolerable para la dinámica del sistema que se encuentra en los ms. Se cumple en este caso el test de simulacra.

Una fotografía del montaje experimental se muestra, finalmente, en la figura 5, en la que se muestran los diferentes sistemas (reales y emulados) que componen la simulacra

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Alfredo Pérez Vega-Leal
Dpto. Ingeniería Electrónica, Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla

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