Laboratorio de Control con LabVIEW bajo Tiempo real en la Universidad Pública de Navarra

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"Una de las características más sobresalientes de LabVIEW es su facilidad para crear interfaces de usuario “ad hoc” para las prácticas. En el caso de la docencia, una buena interfaz gráfica, intuitiva y sencilla, minimiza el tiempo de aprendizaje de la utilización del sistema, "

- Iñaki Arocena, Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación

The Challenge:
Desarrollo de maquetas con motores de C.C. para catorce puestos para la realización de prácticas de asignaturas de control automático, continuo y digital, en las titulaciones de Ingenieria Industrial e Ingeniero Técnico Industrial, especialidad Electricidad. Los alumnos podrán realizar ensayos frecuenciales (Bode), identificación de sistemas y aplicar controladores tanto digitales como analógicos (mediante componentes eléctricos) sobre un sistema real y que previamente hayan diseñado y probado mediante simulación con MATLAB. Los alumnos experimentarán los problemas debidos a las no linealidades del sistema (huelgos, zonas muertas, saturaciones) y los ruidos en las señales de los sensores. El sistema desarrollado debería permitir futuras ampliaciones a otras aplicaciones de control, como por ejemplo el control en tiempo real.

The Solution:
Si bien existen en el mercado diversos fabricantes y proveedores de sistemas de control didácticos (QUANSER, ALECOP, FEEDBACK….), las limitaciones presupuestarias y el requisito de un sistema abierto (la mayoría de los sistemas comerciales son cerrados y exclusivos para las maquetas que las acompañan) que permitiera la utilización de los equipos en otras maquetas existentes en el laboratorio (sistemas electromecánicos, control de niveles de líquidos, sistemas térmicos, entre otros) unido a la necesidad de crear 15 puestos idénticos que facilitaran la impartición y seguimiento de las prácticas a grupos de alumnos y las futuras ampliaciones a otras materias, obligaron al diseño y construcción de un sistema propio. Se optó por LabVIEW como entorno de programación en tiempo real y diseño de las interfaces de usuario y la tarjeta de adquisición PCI 6221 de N.I

Author(s):
Iñaki Arocena - Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación
Mª Jose Perez Ilzarbe - Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación
Gabriel Lera - Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación
Jose Basilio Galván - Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación
Jose Jacinto Elizondo - Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación
Eduardo Larrea - Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación

Para reducir costes,  se optó por un esquema basado en dos ordenadores PC,  el Host y el Target, reutilizando así para ambos PCs obsoletos retirados de distintas renovaciones del laboratorio. La utilización de un PC para el target es una posibilidad que permite LabVIEW Real Time, siempre y cuando cumplan una serie de requisitos que vienen documentados en la web de National Instruments Para la plataformas en tiempo real, el PC-Target, se ha utilizado unos ACER Veriton 5200D dotados de un procesador Pentium-4 de 1,7 GHz. y 512 Mb de memoria, mientras que para el PC-Host, la interfaz del usuario, se han utilizado unos Fusitsu-Siemens con un procesador Pentium-4  de 2,4 GHz. y 1 Gb de memoria.

La maqueta está compuesta por un motor de C.C. con un reductor de 1:15,  un freno de partículas magnéticas y un volante de inercia fijados ambos  en el eje de salida del reductor. El sistema está equipado con dos codificadores ópticos incrementales, “encoders” para la medición de la posición angular, uno sobre el eje del motor y el otro junto a la carga inercial, y un tacómetro  para medición de la velocidad de giro del eje motor. La medición de las señales se realiza mediante entradas de contador y ADC (convertidor analógico/digital) de la  tarjeta de adquisición de PCI 6221, colocada sobre el PC-Target. En cuanto a las señales de control del motor y del freno se utilizan dos DAC (convertidores digital/analógico), que se envían a dos amplificadores de tensión tipo PWM (Pulsed Width Modulator). El driver de esta tarjeta, el  NIDAQmx, al estar preparado para funcionar en tiempo real facilitó la implementación de un sistema de adquisición de datos y generación de señales de control a través de LabVIEW Real Time. Mientras el PC-Target realiza el control de la maqueta en tiempo real, el PC-Target se encarga de la interfaz con el usuario, introducción de los parámetros de funcionamiento (tipo de señal, frecuencia, amplitud, etc.) y la presentación de los datos, comunicándose ambos mediante la red Ethernet existente en el laboratorio.  El sistema permite incluso controlar otras maquetas desde otros puestos. 

Finalmente, un tercer componente, realizado en el Laboratorio de Automática, realiza la acomodación y filtrado de las señales analógicas,  contiene también las fuentes de PWM del motor y del freno, y dispone de unos elementos EDACS (Encoder Digital to Analog Converter) que nos convierten las señales digitales de los encoders a señales continuas que permiten así la utilización de dichas señales para el control continuo. La maqueta dispone además de una serie de comparadores que se pueden utilizar para la generación de la generación de la señal del error y fuentes de alimentación que permite alimentar un circuito analógico externo. Un interruptor permite el control del modo digital o continuo. ver fig 2                           

El artículo:

En la primera puesta en práctica de las maquetas los alumnos han realizado un análisis frecuencial (Bode) en lazo abierto entre la tensión aplicada al motor y la velocidad del mismo.  Los alumnos  deben extraer la relación de amplitudes y el desfase entre las señales a distintas frecuencias. El ruido del tacómetro y los huelgos distorsionan la señal de salida  de forma no repetitiva con lo cual será preciso repetir varias veces las mediciones sobre una misma frecuencia para posteriormente promediarlas. Tras la obtención de una veintena de puntos entre 1 y 500 Hz, los alumnos deberán dibujar las curvas de magnitud y fase resultantes para obtener sobre el diagrama obtenido los polos del sistema. En la segunda práctica, utilizando la respuesta frecuencial anterior, los alumnos han diseñado un controlador que, de acuerdo a unas especificaciones de diseño solicitadas, eliminara el error en estado estacionario y mejorara su rapidez. Tras el cálculo teórico y comprobación mediante simulación (Matlab), el alumno comprueba, mediante el programa de LabVIEW diseñado,   las características de la respuesta del sistema real.

Para facilitar el desarrollo de la práctica en el tiempo disponible (dos horas por sesión), se ha hecho hincapié en un diseño de interfaz diseñada (front end) intuitivo y sencillo de manejar (solo contiene los controles e indicadores necesarios). La obtención de datos se ha automatizado también en aquella que carece de interés académico en la medida de lo posible. El programa obtiene automáticamente un número determinado ciclos (seleccionable por el usuario) tras los cuales permite al alumno, mediante unos cursores que se desplazan por las dos señales (entrada al  motor y velocidad), medir la relación entre magnitudes y el desfase entre las dos señales, ambos facilitados por la interfaz también. El programa permite aplicar distintos tipos de señal (cuadrada, senoidal, triangular), pudiendo medir también parámetros de la respuesta de una entrada escalón, así como otros parámetros como la frecuencia y amplitud de las señales del motor y freno, y el periodo de muestreo para la adquisición y el control. Respecto a éste último se ha alcanzado un periodo de muestreo de 20KHz. 

La interfaz de usuario diseñada, ver Figura 3,  permite realizar ambas prácticas. El alumno puede elegir entre el funcionamiento en lazo abierto y lazo cerrado del sistema.  Dado el periodo de muestreo altísimo que se alcanza, muy superior al ancho de banda del motor         (< 100 Hz.) se ha realizado una “simulación” digital de un controlador analógico.  Tal como se muestra en la Figura 3. y para el caso de un controlador P.I., el alumno introduce la ganancia y el polo del compensador que previamente habrá diseñado. Los resultados de su implementación se verán inmediatamente en la pantalla. 

Además de las prácticas arriba indicadas, se ha diseñado asimismo otra interfaz gráfica para la asignatura de Control Inteligente, donde los alumnos realizarán prácticas de control borroso sobre la maqueta.     Ver Fig 4         

Conclusión:

Las posibilidades que LabVIEW ofrece como herramienta en el campo docente son múltiples. En este caso se ha utilizado para la realización de prácticas reguladas de asignaturas de control automático. Una de las características más sobresalientes de LabVIEW es su facilidad para crear interfaces de usuario “ad hoc” para las prácticas. En el caso de la docencia, una buena interfaz gráfica, intuitiva y sencilla, minimiza el tiempo de aprendizaje de la utilización del sistema,  carente de interés académico, para cederlo a los aspectos que se desea enfocar con la práctica.  Otro de los aspectos a tener en cuenta es la relativa facilidad de programación en tiempo real los drivers de NI-DAQmx, que con el avenir del editor de Mathscript para tiempo real, que permitirá la programación textual dentro de la LabVIEW, ver Figura 5,  simplificando así la programación de algoritmos de control,  hacen de LabVIEW una herramienta interesante para el diseño de prácticas de control. 

Tras esta positiva experiencia está previsto para el próximo curso la amplicación del número de prácticas (aplicación de Ziegler-Nichols para la sintonía de PIDs, otros métodos de identificación, etc.) en asignaturas de control continuo y la extensión a prácticas de asignaturas de control digital.  La maqueta permite además futuras ampliaciones con distintos sensores como acelerómetros para la monitorización de vibraciones, o la inserción de elementos transmisión elásticos que den mayor complejidad a la planta actual.

Author Information:
Iñaki Arocena
Universidad Pública de Navarra-Dpto. Automática y Computación
Spain

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