Plataforma para el Control de Sistemas Físicos Via Internet

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1 Plataforma para el Control de Sistemas Físicos Via Internet Aldo Sartorius Castellanos* Luis Hernández Santana** Ernesto Rubio** Ivan Santana Ching** *Instituto Tecnológico de Minatitlan Departamento de Ingeniería Industrial **Universidad Central Marta Abreu de las Villas Departamento de Automática y Sistemas Computacionales luishs@fie.uclv.edu.cu rubio@fie.uclv.edu.cu ching@fie.uclv.edu.cu RESUMEN / ABSTRACT Este artículo da a conocer una plataforma para laboratorios virtuales y remotos enfocada al control de sistemas físicos en tiempo real a través de Internet. La cual permite a los usuarios desarrollar y probar sus propios reguladores de una forma sencilla e intuitiva, usando el paquete Matlab-Simulink con el Toolbox Real Time Windows Target. Una de las principales características de la plataforma propuesta es la implementación de un software de administración de prácticas que mantiene la funcionalidad y filosofía del Matlab Web Server. Pero que permite además atender múltiples pedidos de una misma practica en forma paralela, llevándolas a cabo en estaciones de trabajo que pueden estar separadas por redes de magnitud WAN tal como Internet. Palabras claves: Control, Laboratorios remotos, Laboratorios virtuales, Tiempo real This article presents an alternative platform for virtual and remote laboratories focused to the control of physical systems in real time through the Internet. Which allows the users to develop and to prove their own regulators in a simple and intuitive way, using the Matlab-Simulink package with the Real Time Windows Target Toolbox. One of the main characteristics of the proposed platform is the implementation of a software of management practices that maintains the functionality and philosophy of the Matlab Web server. But this software allows to attend multiple orders of the same practice in a parallel form, carrying out them in workstations that can be separated by nets of WAN magnitude just as Internet. Keywords: Control, Real Time, Remote Laboratories, Virtual Laboratories Platform for the Control of Physical Systems Via Internet INTRODUCCION Debido principalmente al alto costo del desarrollo, mantenimiento y operación de los laboratorios de practicas, la experimentación con sistemas reales a tenido una disminución en la ultima década y ha sido sustituida por las herramientas de simulación. Las cuales a pesar de presentar grandes ventajas por su facilidad de uso y relativo bajo costo, son deficientes en simular el ruido, la respuesta en frecuencia, la conversión analógica digital y otros fenómenos físicos que caracterizan a los sistemas reales 1. Como respuesta a este problema se ha empezado a usar Internet como un medio de ayuda en la enseñanza y de compartir recursos de software y hardware costosos. Esto a permitido que a través de las nuevas tecnologías de la información, se hallan desarrollado prácticas en laboratorios virtuales 2, 3, en los cuales a través de la animación y la simulación se sustituyen los procesos reales por procesos simulados. Y que últimamente se están desarrollando los laboratorios remotos 4, 5 los cuales tratan de combinar la flexibilidad que ofrecen las simulaciones sin perder las características importantes que rigen a los sistemas físicos 6. Esto permite experimentar en plantas reales sin la necesidad de estar en un laboratorio. Actualmente la gran mayoría de los laboratorios remotos en uso, presentan características muy avanzadas en la forma de realimentar información al usuario. Algunos sistemas utilizan los datos reales que manda el proceso controlado y técnicas de realidad virtual para representar gráficamente estos datos 7. Otros sistemas transmiten video y sonido para dar un ambiente mas realista a la practica 8 y algunos utilizan la realidad aumentada 9 para interactuar de forma efectiva con el usuario. Sin embargo, a pesar de estas características, en el caso de los laboratorios para la enseñanza del control automático, la

2 mayoría de los laboratorios remotos presentan esquemas predefinidos de control Esto limita la práctica a escoger algún tipo de regulador (PI, PID, espacio de estados, etc.) y ajustar sus parámetros para lograr una respuesta deseada. Algunos sistemas desarrollados últimamente permiten la creación personalizada de controladores 4, 5 pero de una forma complicada. Utilizando para ello software desarrollado específicamente para esta tarea, con lo cual se pierde la estandarización del sistema hacia programas altamente utilizados y probados como Matlab-Simulink y LabVIEW. Los cuales esta comprobado que serán los estándares para la creación de equipo de laboratorios a distancia 13. La plataforma propuesta permite a los usuarios la realización de practicas con esquemas predefinidos de control, así como la creación de sus propios controladores usando software altamente conocido en el medio como lo es Matlab-Simulink. Además se ha desarrollado un software de administración de practicas que permite atender múltiples pedidos de una misma practica de forma paralela, llevándolas a cabo en estaciones de trabajo que pueden estar separadas por redes de magnitud WAN tal como Internet, de una manera transparente al usuario. Con esto se logra por un lado reducir al mínimo el tiempo de espera de los usuarios para poder llevar a cabo una determinada practica y por otro lado, permite compartir recursos entre distintos centros de investigación y Universidades dentro y fuera del país. La plataforma del Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD) implementa actualmente varias practicas de control de motores y de control de robot manipulador en Cuba, así como el control de un cilindro electroneumático en España. tratando de encontrar para cada uno de los pedidos una estación de trabajo que sea capaz de procesarlo. Una vez que la encuentra, saca el pedido de la lista y se lo envía al Cliente de Administración de Practicas (CAP). Cuando el pedido llega al CAP se identifica que tipo de práctica es y dependiendo de esto se elige la forma en que se debe procesar. Una vez que la práctica ha sido procesada se trasmite el resultado en sentido inverso al que trajo el pedido para que al final llegue hasta el usuario. La respuesta es una página web que muestra los resultados del procesamiento. FUNCIONAMIENTO GENERAL DE LA PLATAFORMA El Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD) se divide en tres partes: 1.- Interfaz del usuario 2.- Administración de los pedidos de las practicas. 3.- Procesamiento de las practicas. La Figura 1 muestra la interacción de estas tres partes. Los usuarios interactúan con el sistema a través de Internet. Al acceder al sitio web, se elige la práctica que se desea realizar. Se llenan correctamente todos los datos en el formulario asociado a la práctica y finalmente se elige entre ejecutarla de manera simulada o real antes de mandarla. Al mandar los datos se ejecuta un CGI que se encuentra en el servidor Web, el cual los recibe y posteriormente los manda al Servidor de Administración de Prácticas (SAP) y le informa que hay un nuevo pedido. El SAP inserta dicho pedido en una lista y se queda a la espera de una respuesta para trasmitirla finalmente al usuario que realizó el pedido. El SAP está constantemente chequeando la lista de pedidos Figura 1. Funcionamiento general del Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD) ARQUITECTURA DE LA PLATAFORMA 1. Interfaz del usuario Una parte muy importante en el desarrollo de un sistema de laboratorios a distancia es la interfaz del usuario. La función principal de la interfaz de usuario es conformar el pedido de las prácticas y enviarlo hasta el servidor web. El lenguaje usado para crear la interfaz de usuario de la plataforma es ASP

3 combinado con HTML. Una pagina de la interfaz de usuario se muestra en la Figura 2. El sistema puede ser accedido desde cualquier computadora con conexión a Internet usando cualquier navegador para Web (Netscape, Internet Explorer u otro). al usuario tal como se muestra en la figura 3. Figura 2. Pagina Web de Interfaz del usuario La principal ventaja de usar este tipo de tecnología en el desarrollo de interfaces de usuario, es que no se tiene que descargar o instalar ningún componente adicional ya que se ha encontrado que esto trae problemas de compatibilidad, retraso y desconfianza por parte de los usuarios. Adicionalmente cada practica tiene asociada una pagina web de teoría. En ella se explica la obtención del modelo matemático de la planta, se analiza su estabilidad, y se dan algunas recomendaciones para el ajuste de los reguladores. Esta pagina también contiene vínculos hacia otras paginas web, las cuales nos brindan información técnica de las plantas tales como datos de chapa o valores nominales de operación. Toda esta información es indispensable para poder ajustar o diseñar reguladores de una forma correcta. 2. Administración de los pedidos de prácticas La principal función de esta parte del sistema es recibir las prácticas provenientes del sitio Web y enviarlos hacia el software encargado de procesar las prácticas en cuestión. Posteriormente se enviara la respuesta de la ejecución de la práctica hacia el navegador del usuario. Para la administración de los pedidos de practicas, se desarrollo una arquitectura cliente/servidor, donde los datos provenientes del servidor Web se envían a alguna estación que pueda realizar la practica. Este software mantiene toda la funcionalidad y filosofía del Matlab Web Server. Adicionalmente permite atender múltiples pedidos de una misma practica de forma paralela, llevándolas a cabo en estaciones de trabajo que pueden estar separadas por redes de magnitud WAN tal como Internet, de una manera transparente Figura 3. Atención de forma paralela de múltiples pedidos de la misma practica En donde dos usuarios entran al Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD) para ejecutar la misma practica. El sistema de administración de practicas desarrollado determina que hay dos estaciones capaces de realizar esta practica. Una se encuentra en Cuba y la otra en España, asignando así a cada usuario una estación de trabajo. En caso de existir un tercer usuario de la practica, este se pondría en una cola de espera, y seria atendido cuando cualquiera de las dos estaciones se desocupe. De esta forma se realiza un uso eficiente de los dispositivos, logrando reducir los tiempos de espera de los usuarios al mínimo. Además permite compartir recursos costosos, no importando su ubicación geográfica. Por otro lado el software de administración de practicas permite el intercambio de

4 archivos con el usuario, siendo esta una de las características más importantes del sistema ya que posibilita la creación y prueba de reguladores diseñados por los usuarios. El software de administración de prácticas se divide en el Servidor de Administración de Prácticas (SAP) y en el Cliente de Administración de Prácticas (CAP) los cuales se explican a continuación: 2.1 Servidor de Administración de Practicas El Servidor de Administración de Practicas (SAP) es un componente del sistema que se comunica con el servidor Web a través del protocolo TCP/IP. Esto permite que el SAP se pueda ejecutar en la misma computadora donde se encuentra el servidor Web, o en una computadora distinta. El SAP se implemento como un servicio de Windows NT para asegurar su activación de manera automática en el arranque de la computadora donde este instalado. El SAP juega un papel fundamental dentro del sistema ya que es el que garantiza el flujo de información del servidor Web hasta la estación de trabajo y viceversa. llenar los campos de la página con los datos del regulador, el tiempo de muestreo, y cualquier parámetro adicional que este asociado a la practica. Una página de este tipo aparece en la figura 2. Adicionalmente se puede optar por dos formas de ejecución de la practica, de forma simulada, donde se simula la ejecución y se obtiene una respuesta idealizada de la practica o de forma real. Un ejemplo de la respuesta del sistema es mostrada en la figura Cliente de Administración de Practicas La práctica se implementa en una computadora la cual esta conectada al hardware de accionamiento y a los sensores específicos para esa practica. El Cliente de Administración de Practicas (CAP) es una aplicación que se ejecuta en esa computadora. El CAP recibe las prácticas del SAP utilizando para ello el protocolo TCP/IP. Posteriormente estas prácticas son enviadas al software de procesamiento de las prácticas. Una vez que la práctica ha sido procesada, se crea una página Web de respuesta. El CAP se encarga de mandar la página de respuesta hacia el SAP. 3. Procesamiento de las practicas Esta parte del sistema es la encargada de ejecutar la práctica que ha sido solicitada por el usuario. Existen muchas formas distintas de llevar a cabo la ejecución de las prácticas. El sistema lleva a cabo las practicas con Matlab-Simulink y el Toolbox Real Time Windows Target debido a la facilidad de uso y potentes capacidades presentadas por este software. Por una parte, Real-Time Workshop proporciona la conexión en tiempo real con el sistema de adquisición de datos, mientras que Real-Time Windows Target permite la ejecución del esquema Simulink en tiempo real sobre Windows. El hecho de ejecutar directamente un esquema Simulink supone ventajas, ya que el tiempo y la complejidad de crear nuevos algoritmos de control se reduce drásticamente y permite una fácil creación y modificación de esquemas de control. 3.1 Practicas con controlador predefinido En este tipo de prácticas el usuario sólo necesita un navegador de Web (Netscape, Internet Explorer u otro) para acceder al sitio del Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD). Después de seleccionar alguna de las practicas disponibles en el sitio y de leer la teoría asociada a la práctica, el usuario tiene que Figura 4. Pagina Web de respuesta en practica de control con controlador predefinido. 3.2 Practicas con controlador definido por el usuario Cuando el usuario accede a alguna práctica en la que se puede definir el controlador a usar, aparece una página Web como la mostrada en la figura 5. De ella el usuario debe descargar un fichero de Simulink que contiene el diagrama de bloques del sistema. Este diagrama contiene por ejemplo, para el caso del robot manipulador, tres subsistemas llamados Controlador, Filtro y Trayectoria. Los subsistemas pueden ser modificados internamente para crear el regulador que se requiera, diseñar un nuevo filtro y/o modificar la trayectoria del manipulador usando el paquete Matlab Simulink. Una vez hecho esto, el fichero base modificado se puede mandar a simular para ver el comportamiento o se puede mandar a ejecutar el sistema real. Como ejemplo, para la practica mostrada en la figura 5, en el subsistema Controlador del fichero base se implemento un controlador PPI (Proporcional Proporcional Integral) adaptable el cual es mostrado en la figura 6. El Sistema de

5 Laboratorios a Distancia (SLD) verifica que el sistema mandado sea un sistema valido y que sea físicamente realizable por el robot. Una vez verificados estos aspectos, el sistema compila el controlador mandado por el usuario y ejecuta la práctica de la misma forma que las prácticas que cuentan con controlador predefinido. Al finalizar se devuelve al usuario la pagina de respuesta correspondiente. PRACTICAS IMPLEMENTADAS El Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD) cuenta actualmente con tres dispositivos distintos para la realización de practicas. Un motor de corriente directa y un robot manipulador Asea IRB-6 de cinco grados de libertad localizados en el laboratorio de la Universidad Central Marta Abreu de las Villas, así como un cilindro neumático localizado en la Universidad Politécnica de Madrid. 1. Practicas con motor de corriente directa En este tipo de practicas, el usuario puede experimentar con un sistema de tipo SISO sin disturbios de carga. Este tipo de practicas contiene cuatro subsistemas. El subsistema motor el cual no es modificable por el usuario, y tres subsistemas llamados set-point, regulador y filtro. En los cuales el usuario puede modificar, dependiendo de la practica, no solo sus parámetros sino también su estructura interna. El diagrama de bloques para este tipo de practica es mostrado en la figura 7. Figura 5. Pagina web de práctica con controlador definido por el usuario Figura 7. Diagrama de bloques para practicas de control con motor de corriente directa. Figura 6. Controlador PPI Adaptable implementado por el usuario. Actualmente se encuentran implementadas las siguientes practicas con motores en el Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD): -Practica real de control de posición con regulador PID. -Practica simulada de control de posición con regulador PID. -Practica real de control de posición con regulador diseñado por el usuario. -Practica simulada de control de posición con regulador diseñado por el usuario. -Practica real de control de velocidad con regulador PID. -Practica simulada de control de velocidad con regulador PID. -Practica real de control de velocidad con regulador diseñado por el usuario. -Practica simulada de control de velocidad con regulador diseñado por el usuario.

6 2. Practicas con robot manipulador Las practicas con el robot manipulador nos permiten la experimentación con sistemas SISO que presentan disturbios de carga o también el análisis de sistemas MIMO con una estructura fuertemente no lineal y acoplada. Este tipo de practicas contiene cuatro subsistemas. El subsistema robot el cual no es modificable por el usuario, y tres subsistemas llamados trayectoria, regulador y filtro. En los cuales el usuario puede modificar, dependiendo de la practica, no solo sus parámetros sino también su estructura interna. El diagrama de bloques para este tipo de practica es mostrado en la figura 8. contiene cuatro subsistemas. El subsistema válvula-cilindro el cual no es modificable por el usuario, y tres subsistemas llamados set-point, regulador y filtro. En los cuales el usuario puede modificar, dependiendo de la practica, no solo sus parámetros sino también su estructura interna. El diagrama de bloques para este tipo de practica es mostrado en la figura 9. Figura 9. Diagrama de bloques para practicas de control de posición con cilindro electroneumático. Figura 8. Diagrama de bloques para practicas de control con robot manipulador. Actualmente se encuentran implementadas las siguientes practicas con robot manipulador en el Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD): -Practica real de control desacoplado de posición con regulador PD. -Practica simulada de control desacoplado de posición con regulador PD. -Practica real de control desacoplado de posición con regulador PID. -Practica simulada de control desacoplado de posición con regulador PID. -Practica real de control desacoplado PPI adaptable. -Practica real de control acoplado de posición con regulador PD. -Practica simulada de control acoplado de posición con regulador PD. 3. Practicas con cilindro electroneumático Este tipo de practicas nos permiten trabajar con sistema SISO no lineales. El diagrama de bloques para estas practicas Actualmente se encuentran implementadas las siguientes practicas con cilindro electroneumático en el Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD): -Practica real de control de posición con válvula proporcional. -Practica simulada de control de posición con válvula proporcional. -Practica real de control de posición con válvula ON-OFF. -Practica simulada de control de posición con válvula ON-OFF. -Practica real de control de posición con regulador diseñado por el usuario. -Practica simulada de control de posición con regulador diseñado por el usuario. CONCLUSIONES Se ha creado una plataforma para laboratorios a distancia, la cual toma ventaja de la facilidad de uso y amplia utilización del paquete Matlab-Simulink en conjunto con el Toolbox Real Time Windows Target para su implementación. Esto garantiza una gran portabilidad del sistema así como soporte a distintos equipos que se están desarrollando actualmente y que trabajan con los mencionados paquetes de software. También se ha desarrollado un software de administración de practicas que mantiene la filosofía y funcionamiento del Matlab Web Server, pero que permite además, atender múltiples pedidos de una misma practica en forma paralela. Pudiéndose llevar a cabo dichas practicas en estaciones de

7 trabajo que se encuentren dispersas en redes de magnitud WAN tal como Internet. El software de administración de practicas desarrollado permite, a diferencia del Matlab Web Server, el intercambio de ficheros con los usuarios, lo cual hace posible la implementación de controladores definidos por los usuarios, que es una de las características más importantes del Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD). REFERENCIAS 1. HITES, MICHEL:, Creating and Running Undergraduate Experiments Controlled Through the Internet en American Society for Engineering Education, Chicago, Illinois, SCHMID, CHRISTIAN.:, The Virtual Control VCLab for Education on the Web en Proceedings of the American Control Conference, Philadelphia, Pennsylvania, ANIDO, L., M. LLAMAS Y M. J. FERNANDEZ:, SimulNet: Building Virtual Teaching Laboratories for the Web en Proceedings of 8th International World Wide Web Conference, Toronto, Canada, CORRADINI, M. L., G. IPPOLITI, T. LEO Y S. LONGUI:, An Internet based Laboratory for Control Education en Proceedings of the 40th Conference on Decision and Control, Orlando Florida, CHICULITA, CLAUDIU Y LAURENTIU FRANGU:, A Web Based Remote Control Laboratory en The 6th Word Multiconference on Systemics Cybernetics and Informatics, Orlando Florida, TUTTAS, JÖRG Y BERNARDO WAGNER:, Distributed Online Laboratories en International Conference on Engineering Education, Oslo Noruega, CALKIN, D.W., R. M. PARKIN, R. SAFARIC Y C.A. CZARNECKI:, Visualization, Simulation & Control of A Robotic System Using Internet Technology en 5th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, Coimbra Portugal, KO, C. C., BEN M. CHEN, JIANPING CHEN, YUAN ZHUANG Y KAY CHEN TAN:, Development of a Web-Based Laboratory for Control Experiments on a Coupled Tank Apparatus en IEEE Transactions On Education, VILALTA, XAVIER, DENIS WILLET Y CHRISTOPHE SALZMANN:, Contribution to the Definition of Best Practices for the Implementation of Remote Experimentation Solutions en IFAC Workshop on Internet Based Control Education, Madrid, España, VALLES, M., A. VALERA, J. L. DIEZ Y J. L. NAVARRO:, Setting up a Virtual Matlab Control Laboratory en IFAC Workshop Education in Automatic Control, Austria, PUERTO, R., O. REINOSO, R. ÑECO, N. GARCIA Y L. M. JIMENEZ:, Remote Lab for Control Applications Using Matlab en Proceedings on Internet Based Control Education, Madrid, España, HENRY, JIM:, Using the World Wide Web for Teaching Control Systems Design en Proceedings of the 1999 IEEE International Symposium on Computer Aided Control System Design, Kohala Coast-Islands of Hawai, Hawai, DIXON, W. E., D. M. DAWSON Y B. T. COSTIC:, Towards the Standardization of a MATLAB-Based Control System Laboratory Experience for Undergraduate Students en American Control Conference, Arlington VA, 2001.