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Enseñe Conceptos Difíciles: Control de Ciclo Cerrado con LabVIEW y un Motor DCVisión General

Los conceptos de control son esenciales para comprender sistemas naturales y artificiales. Ya que el control es un campo de sistemas, para tener una completa apreciación del control esnecesario cubrir la teoría y las aplicaciones. La principal habilidad requerida en el control, incluye modelado, diseño de control, simulación, implementación, sintonización y operación de unsistema de control. Este tutorial muestra cómo estos conceptos pueden ser impartidos a los estudiantes a través del uso de una tarjeta insertable de Motor DC Quanser para el NI ELVIS, Diseñode Control y Simulación de LabVIEW con LabVIEW MathScript RT. Tradicionalmente, sintonizar un controlador requiere múltiples iteraciones y prueba y error para llegar a la perfección. Sinembargo, LabVIEW le permite afinar su controlador en tiempo real y después ir directamente a la verificación con una perfecta integración con hardware.

Al finalizar este tutorial usted logrará:

Modelar un motor DC

Diseñar un controlador PI de ciclo cerrado

Sintonizar el controlador en simulación

Implementar su controlador con motor DC

Descargue programas ejemplo y siga el tutorial a continuación para reproducir el laboratorio demostrado en el video de arriba.

Paso 1 - Modelado

El primer paso para diseñar un controlador de ciclo cerrado es identificar una representación matemática de la planta o crear un modelo. Varios tipos de sistemas pueden ser modelados,incluyendo sistemas mecánicos, circuitos electrónicos, filtros analógicos y digitales y sistemas térmicos 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 través de una función de transferencia. Una función de transferencia brinda una descripción matemática sobre cómo son relacionadas lasentradas y las salidas del sistema. En nuestro caso, la entrada al sistema es voltaje (Vm) y la salida desde el sistema es una velocidad angular (Ωm). Podemos usar la ecuación a continuaciónpara 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 Matemático o Función de Transferencia para un Motor DC

Este modelo será usado para diseñar un controlador de ciclo cerrado, el cual puede ser probado con el motor actual. Podemos representar esta función de transferencia en LabVIEW al usar unnodo MathScript, el cual es parte del Módulo LabVIEW MathScript RT. Los valores del parámetro 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 Structures

Paso 2 - Diseño de Control

El siguiente paso es escoger un método de control y diseñar un controlador. Al diseñar un controlador es mejor conocer completamente la planta, en nuestro caso, el Motor DC. Este conocimientose obtiene del análisis de gráficas especializadas, como Bode, lugar de las raíces y Nyquist, las cuales forman una intuición de cómo la planta puede comportarse. Las gráficas en el dominio deltiempo, como la respuesta de pasos, ofrecen retroalimentación inmediata sobre el comportamiento ideal del sistema, como tiempo de incremento, sobreimpulso, tiempo de asentamiento y error deestado estable.

: Tipo de Documento Tutorial: Sí Soportado por NI

: abr 23, 2012 Fecha de Publicación

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Figura 3: Esquemáticos de un Sistema de Control de Ciclo Cerrado

Para este experimento diseñaremos un controlador PI para nuestro motor DC usando el módulo LabVIEW Control Design and Simulation. El Ciclo de Simulación, el cual incluye un solucionadorODE integrado para manejar términos integrales y derivativos, se puede encontrar en la paleta bajo . Los bloques de Función de Suma, Ganancia,Control Design and Simulation SimulationIntegrador y Transferencia también se pueden encontrar en la paleta bajo y . Control Design and Simulation Simulation >> Signal Arithmetic Simulation >> Continuous Linear Systems

Figura 4: Controlador PI de Ciclo Cerrado en Diseño de Control y Simulación de LabVIEW

Paso 3 - Simulación

El siguiente paso es simular la respuesta del Motor DC al modificar el punto de inicio o entrada de velocidad deseada. Esto nos permitirá afinar los parámetros del controlador o ganancias paraincrementar la robustez de nuestro sistema. Necesitaremos combinar la Función de Transferencia o modelo del motor DC que creamos en el Paso 1 con nuestro controlador de ciclo cerrado.

Figura 5: Controlador PI de Ciclo Cerrado con Función de Transferencia de Motor DC

Paso 4 - Afinación y Verificación

Ahora que podemos simular nuestro controlador y la respuesta del motor DC, podemos seguir un proceso repetitivo para optimizar nuestro controlador. Afinaremos los parámetros del controlador

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desde el panel frontal de LabVIEW al verificar el rendimiento del sistema.

Figura 6: Un Proceso Repetitivo para Optimizar el Controlador

Podemos usar los siguientes pasos para afinar nuestros parámetros del controlador:

Comience con ganancias establecidas en: Kp = 1 y Ki = 0

Ganancia Proporcional de Incremento (Kp) para obtener el tiempo de incremento deseado

Ganancia 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 estimada en la tabla de Forma de Onda. Mientras el tiempo de incrementose ve bien con nuestra ganancia proporcional, kp establecida en 1, la gráfica muestra una pequeña cantidad de error de estado estable, el cual es representado por la diferencia entre los datos develocidad deseada y los datos de velocidad estimada. Podemos reducir este error de estado estable al incrementar nuestra ganancia integral, ki.

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.

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

Paso 5 - Implementación

Ahora que hemos verificado que nuestro controlador PI funciona con la respuesta del motor DC simulado, podemos implementar nuestro sistema de control finalizado y controlar la velocidad denuestra tarjeta insertable del Motor DC Quanser para NI ELVIS. El Módulo LabVIEW Control Design and Simulation puede ser usado para controlar sistemas reales, así como modelos simulados.Para migrar desde control simulado a control real, el modelo de planta puede ser reemplazado con funciones de entrada y salida de hardware. En este caso, vamos a reemplazar la función detransferencia representando el motor DC con VIs de entrada y salida de Adquisición de Datos (DAQ) que controlan el motor actual.

Figura 9: Migrar de Simulación a Hardware Real al Reemplazar la Función de Transferencia con Bloques de Entrada/Salida de Hardware

La temporización es una consideración importante al usar el Ciclo de Diseño de Control y Simulación de LabVIEW con hardware real. Debido a que el Ciclo de Diseño de Control y Simulaciónutiliza un solucionador ODE integrado con pasos de tiempo, es importante establecer los Parámetros de Simulación y los Parámetros de Temporización del ciclo para que tengan el mismo pasode tiempo. Las tareas de adquisición de datos generalmente utilizan parámetros de temporización, así que es importante igualar la temporización del ciclo de Simulación con la temporización de laadquisición de datos.

Ahora podemos ejecutar el programa LabVIEW y controlar la velocidad del Motor DC Quanser desde el panel frontal de LabVIEW.

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Figura 10: Respuesta del Motor DC Quanser Actual con nuestro Controlador PI de Ciclo Cerrado

Solution Block Diagram VI Snippet

Haga clic derecho en el VI Snippet de arriba y seleccione Save Image As... Ubique el archivo en su disco duro y selecciónelo y arrastre el ícono del archivo a su Diagrama de Bloques deLabVIEW. LabVIEW generará automáticamente el código desde el VI Snippet. Haga clic aquí para mayor información sobre VI Snippets.

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LegalEste tutorial (este "tutorial") fue desarrollado por National Instruments (“NI”). Aunque el soporte técnico para este tutorial sea proporcionado por National instruments, el contenido de este tutorialpuede no estar completamente verificado y probado y NI no garantiza su calidad, ni que NI continuará proporcionando soporte a este contenido en cada nueva revisión de productos ycontroladores relacionados. ESTE TUTORIAL ES PROPORCIONADO "COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOSTÉRMINOS DE USO EN NI.COM ( ).http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/

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