N° tesis: jcb
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
por
Diego Fernando Escobar Rincón
Diseño E Implementación De Planta Bola En Tubo Para Ser Utilizada
En La Red De Laboratorios Virtuales UNIANDES-UMN-UNAL
Sustentado el 13 de diciembre de 2013 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Mauricio Duque, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
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Contenido
1 INTRODUCCIÓN ... 3
2 OBJETIVOS... 4
2.1 Objetivo General ... 4
2.2 Objetivos Específicos ... 4
2.3 Alcance y productos finales ... 4
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 4
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ... 5
4.1 Marco Teórico ... 5
4.1.1 Modelo descriptivo de la planta bola en tubo ... 5
4.1.2 Easy Java Simulations y Jil Server ... 6
4.2 Marco Histórico ... 7
5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ... 8
5.1 Definición ... 8
5.2 Especificaciones ... 8
6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 9
6.1 Plan de trabajo ... 9
6.2 Alternativas de desarrollo... 9
7 TRABAJO REALIZADO ... 10
7.1 Descripción del Resultado Final ... 14
7.2 Trabajo computacional ... 17
8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ... 19
8.1 Metodología de prueba... 19
8.2 Validación de los resultados del trabajo ... 20
8.3 Evaluación del plan de trabajo ... 23
9 DISCUSIÓN ... 24
10 CONCLUSIONES ... 24
11 REFERENCIAS... 25
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INTRODUCCIÓN
Desde el año 270 AC en el cual los griegos inventaron un reloj de agua, el cual funcionaba con un regulador flotante para mantener constante el nivel del agua [1], las personas se han visto en la necesidad de desarrollar diversos sistemas de control con el fin de hacer más eficientes los diferentes procesos que realizan de forma automatizada, para así lograr una disminución en los tiempos y costos generados por el uso de estos procesos. Es así como en la actualidad existe una gran variedad de sistemas controladores que pueden ser aplicados a casi cualquier sistema de la industria desde lavamanos hasta los robots espaciales, siendo muchas veces muy sencillos en su desarrollo e implementación, con un gran impacto a nivel de control y eficiencia.
A partir de la importancia que los sistemas de control brindan a la industria, hogares entre otros, en los últimos años ha tomado gran fuerza el estudio de los sistemas de control, por lo cual se han desarrollado un sinnúmero de plantas con el fin de acercar a los estudiantes al control de eventos físicos con equipos como la planta térmica, péndulo, plano inclinado, entre otros, los cuales permiten el uso de controladores como ON-OFF, PID y variables de estado, para así tener un acercamiento mucho más preciso a la realidad de la industria y el hogar.
Es así como en este proyecto se busca implementar la planta bola en tubo de pequeñas dimensiones con el fin de poder ser transportado y replicado con facilidad, al tiempo que permita su uso de forma remota las 24 horas del día, brindado la posibilidad a los estudiantes de aprender e interactuar con diferentes sistemas de control y facilitar el aprendizaje de por parte de estos. De igual forma se busca evitar problemas generados por el mal uso por parte del usuario restringiendo las acciones que el usuario puede realizar con el fin de no afectar la integridad del equipo y el uso futuro de este.
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OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
El objetivo del proyecto es el diseño desarrollo e implementación de una planta “Bola en tubo” con menor tamaño y mayor robustez a la que se encuentra actualmente en el laboratorio de electrónica de la universidad, con el fin de permitir su fácil traslado y reproducción para así reemplazar el actual. De igual forma esta podrá ser operada de forma presencial, permitiendo el acceso al usuario de forma segura y controlada al sistema.
De manera simultánea se implementara el sistema de comunicaciones necesario y realizaran pruebas con el fin de permitir el acceso remoto a la planta por medio de internet.
2.2 Objetivos Específicos
• Desarrollo de planta “bola en tubo” con menores dimensiones a las de la planta actual, pero con una mayor robustez.
• Prueba de diferentes tipos de controladores de la planta para uso del usuario final, así como el desarrollo de las aplicaciones necesarias para el acceso, control y adquisición de datos de esta.
• Elaboración de instructivos de uso del prototipo, los cuales expliquen las partes que lo componen así como los pasos a seguir para su uso.
2.3 Alcance y productos finales
• Desarrollo e implementación de nueva planta “bola en tubo”. • Prueba de funcionamiento de controlador ON-OFF.
• Implementación de controlador PID a la planta.
• Realizar ajustes a la planta construida con el fin de generar un funcionamiento mucho más robusto, es decir menos propenso a sufrir cualquier tipo de fallas. • Probar la planta por medio de un manejo remoto.
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DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
La adquisición de equipos que faciliten el aprendizaje de sistemas de control en ambientes educativos tienen altos costos teniendo en cuenta su precio unitario y el número de equipos que se deben adquirir para permitir el uso por parte de todos los estudiantes, al igual que los requerimientos de software necesarios para su uso, de igual forma el mantenimiento y cambio de piezas de estos resultan costos y complejo por la limitación de piezas que se deben utilizar como repuestos. De allí surge la necesidad de desarrollar una planta de control de bajo costo que permita su uso por medio remoto, lo cual evita daños por la manipulación por los estudiantes (ya que
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ellos no están en contacto directo con la planta) y permita el acceso a esta por una gran cantidad de alumnos para su uso.
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MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
4.1 Marco Teórico
4.1.1 Modelo descriptivo de la planta bola en tubo
Por medio del análisis de las diferentes fuerzas que interactúan con la bola dentro del tubo se puede obtener el modelo matemático de la interacción entre las distintas fuerzas y la bola al interior del cilindro, lo cual nos ayuda a comprender mejor porque es posible controlar la posición de la bola en su interior.
Con base en [2], documento en el cual analizan el comportamiento y el modelo matemático de la bola al interior del tubo, y el cual se encuentra basado en [3], a continuación se presentan las fuerzas que interactúan con la bola dentro del tubo, es decir las que han de ser comprendidas con el fin de poder elevar o mantener la bola a la altura deseada. En [2] y [3] se puede ver con detalle el desarrollo de los cálculos que llevan a este modelo.
Figura 1. Diagrama de fuerzas que afectan la bola dentro del tubo.
En la figura 1 se puede apreciar las fuerzas que afectan la bola al interior del tubo, T que representa el empuje generado por el aire, C representa el coeficiente de elevación, mientras que Vin representa el voltaje aplicado al ventilador, esto debido a que en [2] se utiliza la aproximación de que el empuje generado por el ventilador en la bola es igual al cuadrado del voltaje aplicado al ventilador multiplicado por un coeficiente de elevación (en [2] se explica con detalle este procedimiento). Mientras que W es la representación de la fuerza gravedad la cual es igual a m (masa) por g (gravedad), y a en la figura 1 nos muestra la aceleración que ha de tener la bola para poder elevarse.
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A partir de esto un modelo reducido lineales se presenta a continuación:
(1) (2)
(3)
El modelo general se presenta como:
(4) Modelo (4) tomado de [7].
En [5] y [6] se puede encontrar un desarrollo mucho más completo para la dinámica de esta planta, y este modelo con mayor detalle se puede encontrar en [2].
4.1.2 Easy Java Simulations y Jil Server
Con el fin de realizar la conexión entre la planta bola en tubo y Labview (programa en el que se desarrolla la programación) se hace uso de la aplicación Easy Java Simulations (EJS) [3], en la cual se desarrolla el applet java en la que se generara la interfaz gráfica de interacción por parte del usuario remoto. Esta aplicación permite generar la interfaz de forma muy sencilla evitando entrar a la parte de programación gráfica y dedicar el tiempo en programar la interacción entre esta y Labview, lo cual facilita la labor a realizar.
Figura 2. Interfaz gráfica del programa EJS.
En este programa se crea la interfaz gráfica y posteriormente se programa la interacción de los botones, graficas, indicadores, entre otras generados con la
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aplicación Labview, esta conexión se realiza por medio del programa Jil Server [4], el cual es el encargado de permitir el intercambio de variables en tiempo real entre el applet java generado y la aplicación desarrollada en Labview.
Figura 3. Interfaz gráfica de la aplicación Jil Server.
4.2 Marco Histórico
La planta bola en tubo ha sido un planta utilizada para el análisis y enseñanza de los diferentes sistemas de control gracias a la simplicidad de su modelo y desarrollo, este tipo de planas ha sido tratada en la Universidad de los Andes con anterioridad con diseños de mayor tamaño [7], al igual que en distintas universidades alrededor del mundo [5].
Por otro lado los laboratorios remotos desde hace varios años vienen masificándose a nivel mundial gracias al bajo costo que representan para los centros educativos y la gran posibilidad que brinda a los estudiantes de acceder a equipos que por sus altos costos y falta de personal capacitado para su operación parecían un evento remoto en sus actividades académicas. Estos consisten en permitir el acceso por medio de internet a equipos que se encuentran en lugares en ocasiones distantes de ellos, por medio de los cuales pueden emular eventos físicos, químicos, entre otros en medios completamente controlados, permitiendo el mismo tipo de interacción que el que tendría un usuario presencial de estos equipos.
La Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) ubicada en España [8] cuenta en la actualidad con una amplia oferta de laboratorios de acceso remoto en distintas áreas y campos de la educación como son sistemas de control de temperatura, altura de líquidos en tanques, entre otros. Sistema que encaja perfectamente en la forma de educar por parte de esta universidad la cual es a
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distancia por lo que sus alumnos pueden hacer uso de estos equipos desde sus lugares de residencia con turnos que son previamente asignados a cada uno de estos.
Ya en la Universidad de los Andes en el departamento de ingeniería eléctrica y electrónica a la fecha se han desarrollado varias plantas entre ellas el prototipo de una planta Quanser la cual fue desarrollada en una de las clases ofrecidas por este departamento, el cual consiste en controlar la posición y ángulo de un motor servo por medio de diferentes tipos de controladores o el laboratorio implementado por Eduardo García en su tesis de pregrado la cual permitía por medio de internet mover un robot dentro de un laberinto [9].
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DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO
5.1 Definición
El problema se define como la necesidad de un proceso que permita la realización de prácticas de diseño en sistemas de control para el aprendizaje tanto de forma presencial como remota (por medio de internet), la cual permita llevar a cabo los procesos de caracterización de la planta e implementación de diferentes sistemas de control en esta, permitiendo la obtención de los datos adquiridos para un posterior análisis.
5.2 Especificaciones
Desarrollo de planta bola en tubo de pequeñas dimensiones.
La planta debe permitir que tanto el transporte y su uso sean sencillos de realizar, con la menor cantidad de requisitos computacionales y físicos para habilitar su uso.
Uso de componentes de bajo costo.
Uso de componentes que brinden gran robustez al sistema.
Uso de componentes fáciles de reemplazar en caso de presentar fallas.
Se debe garantizar su “operabilidad” con el software disponible actualmente en la Universidad de los Andes.
Se debe desarrollar el sistema para controlar la planta por medio de un controlador ON-OFF.
Se debe desarrollar el sistema para controlar la planta por medio de un controlador PID.
Se debe introducir algún tipo de interferencia controlada al sistema.
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Debe dar la posibilidad de habilitar un sistema de iluminación que permita su uso sin la necesidad de personas cerca de esta.
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METODOLOGÍA DEL TRABAJO
Con el fin de llevar a cabo el proyecto de la forma más organizada y fluida posible se establecieron hitos dentro de este con fechas determinadas de ejecución con el fin de poder ir viendo con facilidad el estado de desarrollo del proyecto y dificultades que se podrían presentar para así darles solución lo más pronto posible, de igual forma se realizaron diseños antes de adquirir o realizar cualquier actividad, las cuales se probaban por medio de prototipos de menor costo y fáciles de adquirir.
6.1 Plan de trabajo
Para el desarrollo del proyecto se definió un plan de trabajo estructurado sobre un calendario, dejando un margen de tiempo entre cada actividad con el fin de solventar las diferentes dificultades que pudieran ir surgiendo en el camino, este partía de la base del proyecto el cual era el sistema de comunicaciones que existiría entre el módulo de control de la planta (sistema Arduino) y el computador del cual se manejaría, de allí se procedería a implementar el sistema de medición de altura de la bola dentro de un tubo, para posteriormente comenzar el ensamble de la planta como tal y finalmente realizar la implementación de los controladores en el programa Labview y realizar las pruebas pertinentes, estos pasos se pueden ver en la figura 4.
Figura 4. Diagrama de plan de trabajo sugerido.
6.2 Alternativas de desarrollo
Al inicio del proyecto se planteó la posibilidad de utilizar una tarjeta desarrollada para el proyecto con un procesador ya que el costo de esta era muy bajo pero se tuvo en
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cuenta que se buscaban partes que fueran de fácil cambio, por lo que se optó por las tarjetas de desarrollo Arduino, las cuales además de ser muy fáciles de adquirir, presenta un bajo costo de mercado y bloques de control dentro del software Labview en el cual se implementó el proyecto.
De igual forma se tenía la posibilidad de implementar el sistema en el programa Matlab ya que los estudiantes se encuentran familiarizados con este y brinda las mismas posibilidades de programación que el programa Labview pero con una programación en mayor detalle en comparación a la que se realiza en Labview.
Por otro lado se tenían dos opciones para el sistema de medición los cuales eran por medio de un sistema infrarrojo o por ultrasonido, siendo este último el escogido gracias a su precisión apropiada para el problema, bajo costo y facilidad de implementación en el entorno Labview-Arduino.
7
TRABAJO REALIZADO
El trabajo realizado consistió en el diseño e implementación de la planta bola en tubo la cual se basa en el diseño implementado en [5] y [7], pero con menores dimensiones y cuyo sistema de comunicaciones con el computador se encuentra basado en una tarjeta de desarrollo Arduino a diferencia de estos que eran controlados por micro controladores PIC y tarjetas desarrolladas específicamente para estos equipos. Esta planta se encuentra dividida en 4 partes las cuales se encuentran unidas entre sí por medio de tornillos, en la parte inferior se encuentra la tarjeta Arduino y los drivers para el control de los ventiladores, en la segunda parte se encuentra la caja de presurización y el tubo principal de 33 cm de altura donde se mueve la bola, en la tercera parte encontramos el sensor ultrasónico encargado de medir la altura de la bola dentro del tubo y finalmente en la parte final se encuentra el ventilador de 12V encargado de generar perturbación en el sistema, fuer de la estructura principal de la planta se tiene el sistema de iluminación el cual se encuentra ubicado detrás del tubo principal, el cual además de permitir observar en condiciones de baja iluminación da una guía de donde se debe ubicar la bola al momento de utilizar el sistema.
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Figura 5. Dimensiones de cajas inferior (izquierda) y superior (derecha) de la estructura, en las que se ubicaran las partes eléctricas del sistema.
Figura 6. Dimensiones de caja de presurización y tubo.
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Por otro lado el sistema de comunicaciones en las especificaciones se pide una interfaz para permitir el acceso de un usuario de forma presencial, esta fue desarrollada en el programa Labview la cual por medio de permite por medio de la interfaz desarrollada el control de forma sencilla de los diferentes aplicaciones disponibles para su uso, como lo son los dos tipos de controladores (ON-OFF y PID) y la caracterización de la planta por medio del uso de señales conocidas (seno, triangular, cuadrada) con las cuales poder identificar el modelo de esta.
Figura 8. Interfaz desarrollada en Labview para el control de planta bola en tubo.
Finalmente se desarrolló por medio de la aplicación EJS y Jil Server [10] la interfaz para permitir el acceso remoto por parte de un usuario, esta permite el acceso a las aplicaciones de caracterización, control PID y ON-OFF de la planta, permitiendo la visualización y adquisición de los datos de este proceso en tiempo real de forma muy sencilla por parte del usuario, permitiendo las mismas acciones para el usuario remoto que le son permitidas al usuario presencial sin la necesidad de estar frente a la planta para su uso.
En la figura 9 se presentan los 4 bloques principales que componen la interfaz gráfica para el acceso del usuario remoto. El esquema de estos se presenta a continuación:
1. Presentación de datos obtenidos de la altura de la bola dentro del tubo por medio de una gráfica, así como la altura deseada por el usuario.
2. Controles de operación de las diferentes aplicaciones disponibles para el uso de la planta (caracterización, control PID y control ON-OFF).
3. Grafica con datos del porcentaje de la velocidad del ventilador de la planta, así como consola con información de las acciones realizadas.
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4. Controles de para la conexión remota, así como para la descarga de los datos obtenidos.
Figura 9. Bloques interfaz de visualización para usuario remoto.
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7.1 Descripción del Resultado Final
En la figura 11 se puede ver la planta construida según los parámetros especificados anteriormente, la cual cumple con las especificaciones propuestas para su desarrollo.
Figura 11. Imagen de planta construida.
La estructura física de la planta se construyó en acrílico, esta es separable en cuatro partes las cuales son sujetadas por medio de tornillos para mantener la rigidez de esta los diferentes componentes utilizados para esta son:
- Estructura en acrílico de 60 cm de altura.
- Tarjeta de desarrollo Arduino UNO [11] la cual está basada en un micro controlador ATMEGA328 [9], la cual cuenta con 14 pines digitales que pueden ser configurados como entradas o salidas, de los cuales 6 pueden ser programados como salidas PWM y 6 como entradas análogas, esta de igual forma cuenta con conexión USB por la cual puede ser alimentado o por medio de un adaptador DC.
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Este dispositivo viene configurado de fábrica para ser conectado por medio de un cable USB y comenzar a utilizarlo por medio de la aplicación Arduino 1.0.5 [13], por medio de la cual se programa el dispositivo.
La plataforma Arduino al ser dispositivos de código abierto permiten ser programados con mayor facilidad al haber gran cantidad de personas trabajando en software compatible con esta plataforma, es el caso de herramientas desarrolladas para facilitar el uso de estos con software como Matlab y Labview, por medio de los cuales se puede controlar el Arduino sin necesidad de tener conocimientos en lenguajes de programación de micro controladores.
Figura 12. Imagen superior e inferior de tarjeta ARDUINO UNO R3.
- Sensor ultrasónico HC-SR04 [14] el cual tiene un costo en el mercado de 3 dólares aproximadamente y brinda mediciones ultrasónicas muy precisas en un rango entre los 2 y los 400 cm. Este dispositivo funciona al recibir un pulso de 5v de mínimo 10 micro segundos de ancho, posteriormente este envía 8 pulsos ultrasónicos a una frecuencia de 40 Hz, el pin echo se activara al enviar estos pulsos y se desactivara al recibir el eco de este, por lo que para saber la distancia a la que se encuentra el objeto se debe medir el tiempo en que el pin echo se encuentra activo y posteriormente dividirlo por 58 para obtener la medida en centímetros y por 148 para obtenerla en pulgadas, según la hoja de datos del producto.
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Figura 13. Imagen del sensor HC-SR04.
Tabla 1. Características eléctricas de sensor HC-SR04.
Figura 14. Diagrama de tiempos de sensor HC-SR04.
- Ventilador DC de 24V con una corriente máxima de 0.16A el cual será controlado por un canal PWM de la tarjeta Arduino y se encargara de mantener la altura deseada de la bola dentro del tubo.
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- Ventilador DC de 12V con corriente máxima de 0.25A el cual será controlado por un canal PWM de la tarjeta Arduino y será el encargado de introducir perturbación en el sistema.
- Micro controlador Atmega8 el cual se encarga de encender las luces de iluminación y señalización de la planta de acuerdo a la información suministrada por parte de la tarjeta Arduino.
Figura 16. Imagen de planta en funcionamiento con una altura deseada de 20 cm, con sistema de iluminación encendido.
La comunicación entre la tarjeta Arduino y el computador del cual se desea controlar la planta se hace por medio de un cable USB el cual se encarga de alimentar esta, pero se ha dispuesto un sistema de alimentación separado de 24V para los dos ventiladores empleados en este proyecto con el fin de poder dar la corriente requerida por estos.
7.2 Trabajo computacional
Teniendo en cuenta que el módulo de adquisición de datos de la planta era la tarjeta Arduino la labor de implementación de los controladores de esta en Labview ya vienen incluidos en el software, por lo que la configuración de puertos y demás instrumentos
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de esta se facilitaron enormemente, ya que para su uso solo es necesario ubicar el bloque necesario (leer/escribir en pin digital/PWM) y especificar el valor y el pin deseado y Labview se encarga de todo lo demás.
A partir de esto se generaron los siguientes bloques para permitir el uso por parte del usuario:
- Controlador PID:
Figura 17. Modulo del controlador PID diseñado para la planta en Labview.
Para este módulo se hizo uso del bloque PID incluido en las herramientas de diseño y simulación de control, la cual viene incluida en el software la cual tienen como entradas la distancia medida por el sensor ultrasónico, la altura deseada y lo parámetros Kp, Ti y Td para el controlador PID por parte del usuario, el cual da como salida el valor de PWM requerido por el ventilador para llegar a la altura deseada.
- Controlador ON-OFF:
Figura 18. Módulo de controlador ON-OFF implementado en Labview.
Este es el modulo más sencillo ya que simplemente realizar la resta entre la altura actual de la bola y la altura deseada y en caso de ser menor enciende el ventilador a máxima
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potencia y cuando es mayor (es decir la pelota está a una altura superior a la deseada) este se apaga, en la figura 16 se puede ver la implementación para los dos casos.
- Caracterización:
Figura 19. Módulo de caracterización implementado en Labview.
El modulo implementado en Labview con el fin de permitir la caracterización por parte del usuario habilita el uso de señales sinodales, cuadradas, triangulares y diente de sierra de diferentes frecuencias y amplitudes, pero con el fin de proteger los componentes de la planta estas amplitudes están restringidas al rango entre 0 y 255, los cuales son los valores aceptados por los puertos de salida PWM de la tarjeta Arduino.
8
VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO
8.1 Metodología de prueba
Con el fin de evaluar el trabajo realizado se realizó un proceso de pruebas a medida que cada etapa se iba cumpliendo e integrando con las partes anteriormente desarrolladas, por lo que al ser la tarjeta Arduino un sistema que se integra al entorno de Labview siendo controlada completamente por este, por lo que está desarrollada la función de tarjeta de adquisición de datos (DAQ), el proceso fue el siguiente.
- Prueba de comunicación entre la tarjeta Arduino y el computador, esta se basó en la conexión por medio del cable USB de la tarjeta, realizándose pruebas de encender y apagar pines, control de salidas PWM y lectura de entradas por medio del programa Labview.
- Pruebas de medición por medio del sensor ultrasónico, tarjeta Arduino y Labview, valores que eran comparados con reglas de medición con el fin de calibrar las pruebas realizadas. - Pruebas de controlador PID, ON-OFF y la caracterización en Labview por medio de la cual y
la función System Identification de Matlab se encontró el modelo de la planta para cada caso, y por medio de la función PID tuner se calibro el controlador y se compararon los
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resultados de esta con los valores y tiempos que tomaba la planta en estabilizarse a la altura deseada.
- Por último se hacen las pruebas al sistema de iluminación, el cual debe apagar la zona en la que la bola ha de situarse.
8.2 Validación de los resultados del trabajo
Con el fin de validar el trabajo realizado en el proyecto y la eficiencia de la planta desarrollada se realizó la caracterización de la planta para los cuatro estados posibles de esta (3 niveles de perturbación y sin perturbación en el sistema), con la cual se diseñó el controlador PID y se implementó y tomaron los datos resultantes del proceso, en los se apreciaba la efectividad del controlador propuesto, en estas pruebas se ingresó una señal sinodal que varía el ciclo útil del ventilador y se tomaron los datos suministrados por el sensor de distancia que mide la altura de la bola ante dicha entrada, posteriormente en el programa Matlab se identifica la planta por medio de la función System Identification y diseña el controlador PID por medio de PID tuner de la misma herramienta de software. A continuación se presentan los datos obtenidos.
- Caso sin perturbación.
Figura 20. Señales de entrada y salida para caracterizar la planta sin perturbación en el sistema.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
15 20 25 30 35
Señales de salida y entrada
A lt u ra ( cm )
0 100 200 300 400 500 600 700 800
160 180 200 220 P W M Tiempo
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De esta forma se obtiene la siguiente función de transferencia para la planta sin ningún tipo de perturbación:
(5)
Valores con los cuales se obtiene la imagen de la gráfica 21 para una altura deseada de 20 cm y 25 cm.
Figura 21. Comportamiento de la bola para una referencia de 20 cm y 25 cm.
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo (s)
A
ltu
ra
(cm
)
Altura de bola
Altura de bola Set point
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- Perturbación alta
Figura 22. Entrada y salida para caracterizar la planta con nivel de perturbación máxima en el sistema.
De esta forma se obtiene la siguiente función de transferencia para la planta con el máximo nivel de perturbación:
(6)
Valores con los cuales se obtiene la imagen de la gráfica 23 para una altura deseada de 20 cm y 25 cm.
0 5 10 15 20
15 20 25 30
Señales de salida y entrada
A
ltu
ra
(cm
)
0 5 10 15 20
160 180 200 220 240
P
W
M
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Figura 23. Comportamiento de la bola para una referencia de 20 cm y 25 cm, con perturbación máxima en el sistema.
De igual forma se comprobó el correcto funcionamiento del controlador ON-OFF como se puede ver a continuación para una altura deseada de 15 cm.
Figura 24. Interfaz de visualización de la altura de la bola, al igual que altura deseada (línea color rojo).
8.3 Evaluación del plan de trabajo
Al realizar la comparación de las actividades propuestas, como el cronograma establecido, con las actividades y tiempos empleados para el desarrollo del proyecto se ven variaciones en los tiempos de entrega establecidos, más que todo debido a cambios en diseños y componentes a utilizar, así como problemas de compatibilidad de software entre la versión de Labview en la que se desarrolló el proyecto y el
0 10 20 30 40 50 60
0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) A ltu ra (cm ) Altura bola Altura bola Set point
0 5 10 15 20
0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) A ltu ra (cm )
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software encargado de hacer la conexión entre este y la red, por lo que al final se pudo realizar la prueba de manejo remoto de la planta.
En general se cumple con los elementos que permiten el uso de la planta en forma presencial que era lo que se buscaba, dejando habilitada a futuro la posibilidad de implementar el manejo remoto de la planta.
9
DISCUSIÓN
Al terminar el desarrollo e implementación de la planta bola en tubo para un usuario presencial se logró obtener un equipo con gran robustez gracias a sus componentes, fácil de utilizar sin necesidad de realizar conexiones complejas por parte del usuario y con las limitaciones necesarias a sus acciones para evitar cualquier problema en el equipo, esto con el fin de permitir a futuro una integración con los laboratorios remotos que se están implementando en la actualidad en la Universidad de los Andes, lo cual se encontraba planteado en este proyecto como una prueba de manejo remoto de esta planta lo cual fue realizada dentro de una red local y no en internet como se esperaba, pero esto no debería presentar mayor problema para su implementación.
10
CONCLUSIONES
Luego de concluir el trabajo se entrega una planta bola en tubo que permite introducir interferencia controlada al sistema, por lo que las capacidades de enseñanza que brinda son mucho mayores a las anteriormente construidas, además que gracias a sus pequeñas dimensiones hace que esta sea fácil de transportar a los distintos lugares donde se dictan los temas de sistemas de control a los estudiantes. Por lo que al lograr completar el modulo que permite el acceso remoto a esta las ventajas generadas con este sistema en el ámbito educacional son muy grandes gracias a la posibilidad de instruir una gran cantidad de alumnos con un costo reducido y gran confiabilidad en el equipo.
A pesar de los problemas de compatibilidad presentados en la interacción entre algunas versiones de Labview y JilServer para permitir el acceso de forma remota al equipo se pudo concluir el proyecto con la restricción de no poder variar la frecuencia de muestreo del sistema por parte del usuario remoto.
Se entrega el equipo luego de haber realizado pruebas de conexión remota de forma exitosa, lo cual brinda un mayor alcance para el uso y aplicaciones del dispositivo creado, así como la certeza de compatibilidad de la planta con los diversos equipos y sistemas con que cuenta la Universidad de los Andes en la actualidad. Permitiendo de esta forma ser incluida con facilidad en la plataforma de educativa en línea compuesta por las universidades Nacional, UMN y Andes para la cual fue diseñada.
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A raíz del uso de un sensor ultrasónico de bajo costo para medir la altura a la que se encuentra la bola en cada momento pueden llegar a presentarse variaciones en las mediciones realizadas de +/- 0.5 cm, lo cual no sería mayor problema, de no ser por que el usuario puede suponer que la variación es de los datos es muy grande si no tiene en cuenta la escala en la que se encuentra el eje Y de la grafica.
Finalmente se concluye que el dispositivo desarrollado permite una amplia interacción de los estudiantes con el modelo físico que se desea controlar, permitiendo la caracterización y posterior uso de diferentes tipos de controladores los cuales pueden ser desarrollados a futuro, y los cuales gracias a la plataforma remota en que será utilizada permitirá que el sistema requiera de muy pocos cambios para su uso. De igual forma el sistema desarrollado se puede adaptar con facilidad a otro tipo de plantas con el fin de ampliar los recursos disponibles en la plataforma virtual para los estudiantes.
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REFERENCIAS
[1]. Torres, M. (2011). “Breve historia de la teoría de control”. Revista estudiantil nacional de ingeniería y arquitectura, Vol. 2, No 1.
[2]. Pavlic, T. (2007). “Ball-in-tube linearization example”.
[3]. Easy Java Simulations. URL: http://fem.um.es/Ejs/. Revisado el 15 de diciembre de 2013.
[4]. Jil Server. URL: http://profesores.eie.ucv.cl/hvargas/jil/jil.html. Revisado el 15 de diciembre de 2013.
[5]. Caro, C., & Quijano, N. (2011). “Low Cost Experiment for Control Systems”. [6]. Escaño, J.M.; Ortega, M.G.; Rubio, F.R.; , "Position control of a pneumatic
levitation system," Emerging Technologies and Factory Automation, 2005. ETFA 2005. 10th IEEE Conference on , vol.1, no., pp.6 pp.-528, 19-22 Sept. 2005.
doi:10.1109/ETFA.2005.1612568.URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp .jsp?tp=&arnumber=1612568&isnumber=33857
[7]. Benavides, Andrés. “Diseño e implementación de sistema de comunicaciones para control de plantas de manera remota a través de internet”, desarrollado en el semestre 2011-1 en la Universidad de los Andes, Bogotá.
[8]. Vargas, H.; Sánchez, J.; Jara, C.A.; Candelas, F.; Reinoso, O.; Diez, J. (2010). Docencia en Automática: Aplicación de las TIC a la realización de actividades prácticas a través de internet. Revista RIAI, Vol. 7, Num1, PP. 35-45.
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[9]. Tesis de Eduardo García García, “Diseño de un Laboratorio Robótico Remoto para la Enseñanza”, desarrollado en el semestre 2011-2 en la Universidad de los Andes, Bogotá.
[10]. Barrios, A, & Panche S.; Tutorial I: Building the java applet with Easy Java Simulation. Julio 2011.
[11]. Información técnica y hoja de datos de ARDUINO UNO. URL: http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno.
[12]. Hoja de datos de micro procesador ATMEGA328. URL: http://www.atmel.com/devices/atmega328.aspx.
[13]. Link para descargar el software de programación del ARDUINO UNO. URL: http://arduino.cc/en/Main/Software.
[14]. Hoja de datos de sensor de distancia ultrasónico HC-SR04. URL: http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf
[15]. Interfaz para Arduino en Labview. URL:
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/209835
[16]. Bloque de comunicación entre Arduino y sensor ultrasónico HC-SR04, posteado en el foro de desarrolladores de National Instruments por medio de la interfaz para Arduino de Labview. URL:
https://decibel.ni.com/content/thread/12971.
[17]. Gil, A.; Quijano, N.; Passino, K. (2004) The balls-in-Tubes Experiment. The Ohio State University.
[18]. Chaos, D.; Chacon, J; Lopez-Orozco, J.; Dormido, S. (2013) Virtual and Remot Robotic Laboratory Using EJS, Matlab and Labview.
www.mdpi.com/journal/sensors.
[19]. Barrios, A.; Canu, M.; Chevrel, P.; Claveau, F. (2012) Virtual Lab supporting control engineering teaching. (GEM/GEV).
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APENDICES
i. Propuesta inicial:
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
PRESENTACIÓN DE PROPUESTA DE PROYECTO DE GRADO
SEMESTRE: 2013-20
FECHA: 15 de mayo de 2013
PROYECTO O TESIS DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE: Ingeniero Electrónico
ESTUDIANTE: Diego Fernando Escobar Rincón CÓDIGO: 200620916 TÍTULO DE LA TESIS O PROYECTO:
Diseño e implementación de planta de control con sistema de comunicaciones para ser manejada de forma remota.
DECLARACIÓN:
1 - Soy consciente que cualquier tipo de fraude en esta Tesis es considerado como una falta grave en la Universidad. Al firmar, entregar y presentar esta propuesta de Tesis o Proyecto de Grado, doy expreso testimonio de que esta propuesta fue desarrollada de acuerdo con las normas establecidas por la Universidad. Del mismo modo, aseguro que no participé en ningún tipo de fraude y que en el trabajo se expresan debidamente los conceptos o ideas que son tomadas de otras fuentes. 2- Soy consciente de que el trabajo que realizaré incluirá ideas y conceptos del autor y el Asesor y podrá incluir material de cursos o trabajos anteriores realizados en la Universidad y por lo tanto, daré el crédito correspondiente y utilizaré este material de acuerdo con las normas de derechos de autor. Así mismo, no haré publicaciones, informes, artículos o presentaciones en congresos, seminarios o conferencias sin la revisión o autorización expresa del Asesor, quien representará en este caso a la Universidad.
_____________________________________ Firma (Estudiante)
Código: CC:
_____________________________________ Vo.Bo. ASESOR (Firma)
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1. Caracterización del problema (Justificación)
Debido a los altos costos de equipos para el desarrollo de prácticas académicas en las universidades, estas han comenzado a realizar alianzas entre sí con el fin de implementar lo que es conocido como laboratorios remotos, los cuales no son más que una planta controlada por medio de un computador conectado a internet, el cual puede ser controlado desde cualquier lugar del mundo, logrando así el uso de esta planta en tiempo real por un mayor número de estudiantes, con la ventaja de no ser necesario el control de forma presencial por parte de el estudiante.
Lo cual se ve reflejado en una menor inversión económica por parte de las universidades permitiendo la interacción con una mayor cantidad de equipos vía remota al tiempo que se logra un mayor tiempo de uso de estos equipos por parte de los estudiantes de diferentes lugares del mundo.
2. Marco teórico
Los laboratorios remotos buscan facilitar el acceso de los estudiantes a plantas que por altos costos o diferentes causas no poseen sus centros de estudio. Estos laboratorios constan inicialmente de una planta la cual debe estar conectada a un sistema de control (en la mayoría de los casos un computador) el cual es el encargado de controlar y organizar los datos adquiridos así como también de transmitir las órdenes impartidas por el usuario remoto. También se requiere que el sistema de control esté conectado a la internet, para allí ser controlado el acceso a esta por el servidor encargado de controlar los diferentes laboratorios remotos habilitados para los estudiantes o personas interesadas 24 horas al día, de igual forma esta se encarga de mostrar al usuario la forma en que debe proceder para el uso de el laboratorio deseado así como también permitir la interacción con este.
a. Antecedentes externos.
- En la wiki [1] de la universidad MIT se presentan los distintos laboratorios remotos habilitados para el uso de sus estudiantes en colaboración con distintas universidades del mundo para distintas áreas como control, telecomunicaciones, entre otros. En [2], [3], [4] se presentan tres diferentes laboratorios remotos implementados y funcionales por parte de esta universidad.
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b. Antecedentes internos.
- Durante el semestre 2011-10 para el curso Taller de Control se desarrollo la implementación de una planta Quanser controlada de forma remota por medio de LabView.
- En la tesis “Diseño e implementación del sistema de comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de internet” por Andrés Benavides (2011-20) se desarrolla la implementación de la practica “ball in a tube” de forma remota por medio de internet.
- En la tesis “Diseño de un laboratorio robótico remoto para la enseñanza” por Eduardo García se implementa un robot controlado de forma remoto por medio de internet.
3. Caracterización del proyecto
a. Objetivos generales
El objetivo del proyecto es el diseño e implementación de una planta “Ball in a tube” con menor tamaño y mayor robustez, que permita su fácil traslado y reproducción con el fin de reemplazar la que en la actualidad se encuentra en el laboratorio de de electrónica de la Universidad de los Andes. La cual ha de poder ser operada de forma presencial, permitiendo el acceso al usuario de forma segura y controlada, además de permitir distintas formas de controlar la altitud de la bola en el sistema por el usuario.
b. Objetivos específicos
- Desarrollo de planta “ball in a tube” con menores dimensiones a las de la planta actual, pero con una mayor robustez.
- Prueba de diferentes tipos de controladores de la planta para uso del usuario final, así como el desarrollo de las aplicaciones necesarias para el acceso, control y adquisición de datos de esta.
- Elaboración de instructivos de uso del prototipo, los cuales expliquen las partes que lo componen así como los pasos a seguir para su uso.
c. Alcance (compromisos)
- Desarrollo e implementación de nueva planta “ball in a tube”. - Prueba de funcionamiento de controlador ON-OFF.
- Implementación de controlador PID a la planta.
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- Realizar ajustes a la planta construida con el fin de generar un funcionamiento mucho más robusto, es decir menos propenso a sufrir cualquier tipo de fallas. - Probar la planta por medio de un manejo remoto.
4. Contexto del proyecto y tratamientos
a. Suposiciones
- Acceso a las herramientas de desarrollo para las distintas etapas del proyecto (pagas o gratuitas).
- Área de trabajo para implementar y realizar las pruebas necesarias a la planta.
b. Restricciones
- Se permitirá el acceso a un único usuario al tiempo al uso de la planta. - Se limitaran las acciones del usuario con la planta con el fin de evitar daños.
c. Factores de riesgo
- Problemas o daños que puedan surgir a la planta ya construida.
- Problemas con la conexión a internet tanto del usuario remoto como de la planta.
- Dificultad para el acceso a las herramientas de desarrollo. - Dificultades al acoplar las etapas del proyecto.
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6. Cronograma
a. Identificación y descripción de hitos
- Desarrollo e implementación de planta “ball in a tube”.
- Cambios necesarios en la planta para mejorar su estabilidad y robustez.
- Desarrollo de interfaz y comunicaciones para permitir la interacción del usuario con la planta de forma presencial.
- Desarrollo de controlador PID y ON-OFF. - Prueba de los bloques de controladores.
- Prueba del sistema completo en funcionamiento.
- Desarrollo de sistema de comunicaciones para permitir el control remoto de la planta.
b. Entregables
- Entregable 1: Planos y especificaciones de planta, así como especificaciones de interfaz grafica y diagrama funcional de estos.
- Entregable 2: Diseño y especificaciones del sistema de comunicación implementado entre la planta y el usuario tanto presencial como remoto.
- Entregable 3: Instructivo para el correcto uso del prototipo.
c. Cronograma Ver anexo A.
7. Recursos
- Información disponible en la biblioteca de la universidad y bases de datos adscritas. - Acceso a salas y equipos necesarios de la universidad.
8. Bibliografía
[1] Wiki de la universidad MIT, de su área de laboratorios remotos, la cual brinda acceso a los diferentes laboratorios implementados por ellos o universidades asociadas. https://wikis.mit.edu/confluence/display/ILAB2/iLabs
[2] Experimento de un péndulo invertido el cual debe ser controlado por medio remoto (laboratorio remoto que utiliza Simulink de Matlab para su implementación), la planta se encuentra ubicada en la universidad de Queensland (Australia). Link de información del
MIT así como link de la universidad de
Queensland.https://wikis.mit.edu/confluence/display/ILAB2/InvertPendulum_ilab, http://icampus.uq.edu.au/projects/ilab/pendulum.html#
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[3] Experimento de cristalización de polímeros controlado de manera remota por parte del MIT el cual en la actualidad no se encuentra habilitado para su uso, pero se presentan todos los documentos al respecto. https://wikis.mit.edu/confluence/display/ILAB2/polymer_ilab [4] Link a página web del laboratorio de reactor nuclear de la universidad MIT, el cual permite
la realización de forma remota de 3 diferentes experimentos con el uso de la misma planta. https://wikis.mit.edu/confluence/display/ILAB2/reactor_ilab
[5] Tesis de Andrés Benavides, “Diseño e implementación de sistema de comunicaciones para control de plantas de manera remota a través de internet”, desarrollado en el semestre 2011-1 en la Universidad de los Andes, Bogotá.
[6] Tesis de Eduardo GarcíaGarcía, “Diseño de un Laboratorio Robótico Remoto para la Enseñanza”, desarrollado en el semestre 2011-2 en la Universidad de los Andes, Bogotá.