Diseño e implementación de un sistema de comunicación remota que permita poner en práctica estrategias de control avanzado en una planta física con un modelo no lineal
La componente práctica es de gran importancia para las carreras de ingeniería. Citando una publicación de la industria del cemento mexicano en La Importancia de los Laboratorios, se abre un punto de partida con el cual se argumenta la importancia de que el estudiante corrobore los resultados obtenid...
- Autores:
-
Carvajal Torres, Bryan Fernando
Serrano Ramos, Cristian Snayder
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/14234
- Palabra clave:
- Mechatronic
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Design and implementation of a remote communication system that allows to implement advanced control strategies in a physical plant with a non-linear model |
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La componente práctica es de gran importancia para las carreras de ingeniería. Citando una publicación de la industria del cemento mexicano en La Importancia de los Laboratorios, se abre un punto de partida con el cual se argumenta la importancia de que el estudiante corrobore los resultados obtenidos teóricamente teniendo un encuentro cercano con los resultados prácticos y las incertidumbres que generarán cambios significativos en los resultados. En los últimos meses las prácticas de laboratorio en las universidades se vieron afectadas de manera directa con la emergencia por COVID-19, ante lo cual el Ministerio De Educación Colombiano emitió las directivas 04, 06 y 08 del 2020, donde se ordena que las Instituciones de educación superior (IES) deben implementar el componente teórico de los programas de manera asistida por las herramientas que ofrecen las tecnologías de la información y comunicación (TIC) restringiendo el acceso de estudiantes a los laboratorios y afectando su aprendizaje. Para soslayar estos problemas se propuso la creación de entornos remotos que permitan a los estudiantes desarrollar sesiones prácticas de laboratorio. En particular, este proyecto se enfocó en el laboratorio de la asignatura control avanzado del programa de ingeniería mecatrónica (IMK) de la UNAB, donde se tomó una planta física con un modelo no lineal que se accede por medio de un sistema de comunicación remota con una interfaz web accesible vía internet. |
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ZAMORA MUSA, R. Laboratorios remotos. Análisis, características y su desarrollo como alternativa a la práctica en la facultad de ingeniería. Inge-CUC. Revista de la facultad de ingeniería, Vol 6, nro 6, p282-290. 2010. Disponible en: ISSN 0122-6517 MAR CONELIO, O; SANTANA CHING, I.; GONZÁLEZ GULÍN, J. Sistema de Laboratorios Remotos para la práctica de Ingeniería de Control. En: Revista Científica. Colombia: 2019, vol. 36, nro 3, p356-366. Disponible en: Doi: https://doi.org/10.14483/23448350.14893 GUERRERO GÓMEZ, Yosman. Diseño de un sistema de control óptimo y un control predictivo para un prototipo de helicóptero de tres grados de libertad. Ingeniero mecatrónico. Colombia: Universidad Autónoma de Bucaramanga, Ingeniería mecatrónica. Santander. 2019 ESPINOSA, Jairo. Control lineal de sistemas multivariables. 2003, p27 IBM. (2020). Protocolos TCP/IP. Obtenido de: https://www.ibm.com/docs/es/aix/7.2?topic=protocol-tcpip-protocols INCIBE. (2018). El protocolo serie, entiéndelo y protégelo. Obtenido de El protocolo serie: https://www.incibe-cert.es/blog/el-protocolo-serie-entiendelo-y-protegelo Costa, R., Vallés, M., Jiménez, L., Diaz, L., Valera, A., & Puerto, R. (2010). Integración de dispositivos físicos en un laboratorio remoto de control mediante diferentes plataformas: LabView, Matlab y C/C++. Revista Iberoamericana de Automática e Informática, 22-34 D, C., R, H., D, K., & J, R. (s.f.). PropoSAL FOR A DESIGN APPROACH FOR MECHATRONIC SYSTEMS BASED ON OPTIMIZATION DESING AND CASE- BASED REASONING. Espinosa, J. (2003). Control Lineal De Sistemas Multivariables. Giraldo, S. C. (2021). Control Automático Educación. Obtenido de Comunicación I2C: https://controlautomaticoeducacion.com/microcontroladores-pic/comunicacion- i2c/ Gómez, Y. A. (2019). Diseño de un sistema de control optimo y un control predictivo para un prottotipo de helicoptero de tres grados de libertad. Bucaramanga. IBM. (2020). Redes. Obtenido de Protocolos TCP/IP: https://www.ibm.com/docs/es/aix/7.2?topic=protocol-tcpip-protocols Ignacio, A., Luis, R., & Javier, G. (2018). Ampliación del laboratorio: una arquitectura adaptable y escalable para laboratorios remotos de sistemas integrados. IEEE, 2169-3536. imcyc. (2006). La importancia de los laboratorios. Ingeniería, 20-22 INCIBE. (2018). El protocolo serie, entiéndelo y protégelo. Obtenido de El protocolo serie: https://www.incibe-cert.es/blog/el-protocolo-serie-entiendelo-y-protegelo LabsLand. (2020). Laboratorios reales, en Internet. Obtenido de LabsLand: https://labsland.com/es Mar, O., Santana, I., & González, J. (2019). Sistema de Laboratorios Remotos para la práctica de Ingeniería de Control. Revista científica, 356-366 MariaDB Server. (s.f.). mariadb.org. Obtenido de https://mariadb.org/about/ Massao, R., Mendes, L., Kovalski, G., & Zanetti, R. (2019). A WebLab Control Experiment using the Ball and. IEEE, 68-68 MySQL. (s.f.). mysql.com. Obtenido de https://www.mysql.com/why-mysql P, B., & K, Ž. (2013). Rapid Design of Simple Remote Laboratory. IEEE, 51-45 Patrick, N., Dusheyko, S., & Suzanne, K. (2013). A Low-Cost Dynamic Plant and Data Acquisition System for Laboratory. ASEE Annual Conference & Exposition, 23-65. Pavol, B., & Bratislava, S. (2019). 3D Three-Tank Remote Laboratory Based on Matlab. IEEE, 85-89. RELDES. (2019). Arduino Remote Laboratory. Obtenido de http://swed.zntu.edu.ua/index.php/iot/lightexp Rexlab. (2020). Laboratorio de experimentación remota. Obtenido de Rexlab: https://rexlab.ufsc.br Ruano, I., Gámez, J., & Gómez, J. (2016). Laboratorio Web SCORM de Control PID con Integración Avanzada. ScienceDirect. Santana, I., Ferre, M., Hernández, R., Aracil, R., Rodríguez, Y., & Pinto, E. (2010). Aplicación del Sistema de Laboratorios a Distancia en Asignaturas de Regulación Automática. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 46-53 SmartTIC. (2020). Laboratorios Remotos SmartLab. Obtenido de SmartTIC: https://smarttic.com.co Song, D. (2009). systems and algorithms for collaborativer y temoperated robotiuc cameras. Springer. Tzafestas, S. (2009). Web-Based control and robotics education. Springer. Villar, A., Rodríguez, L., Angulo, I., Orduña, P., Javier, G., & Lopez de ipiña, D. (2019). Improving the Scalability and Replicability of Embedded Systems Remote Laboratories Through a Cost-Effective Architecture. IEEE, vol. 7, pp. 164164- 164185 Wikipedia. (2020). Obtenido de Disparador Schmitt: https://es.wikipedia.org/wiki/Disparador_Schmitt Zamora, R. (2010). Laboratorios remotos. Análisis, características y su desarrollo como alternativa a la práctica en la facultad de ingeniería. Inge-CUC. Revista de la facultad de ingeniería, 282-290 |
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En los últimos meses las prácticas de laboratorio en las universidades se vieron afectadas de manera directa con la emergencia por COVID-19, ante lo cual el Ministerio De Educación Colombiano emitió las directivas 04, 06 y 08 del 2020, donde se ordena que las Instituciones de educación superior (IES) deben implementar el componente teórico de los programas de manera asistida por las herramientas que ofrecen las tecnologías de la información y comunicación (TIC) restringiendo el acceso de estudiantes a los laboratorios y afectando su aprendizaje. Para soslayar estos problemas se propuso la creación de entornos remotos que permitan a los estudiantes desarrollar sesiones prácticas de laboratorio. En particular, este proyecto se enfocó en el laboratorio de la asignatura control avanzado del programa de ingeniería mecatrónica (IMK) de la UNAB, donde se tomó una planta física con un modelo no lineal que se accede por medio de un sistema de comunicación remota con una interfaz web accesible vía internet.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................. 9 2. OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 11 2.1 Objetivo principal ..................................................................................................................................... 11 2.2 Objetivos específicos ................................................................................................................................ 11 3. PLANTA DEL LABORATORIO REMOTO ........................................................................................................... 12 3.1 Helicóptero de tres grados de libertad ..................................................................................................... 12 3.1.1 Modelo matemático ....................................................................................................................... 18 3.1.1.1 Ángulo de pitch .................................................................................................................................... 18 3.1.1.2 Ángulo de elevación ..............................................................................................................................19 3.1.1.3 Ángulo de viaje ...................................................................................................................................... 20 3.1.2 Representación en espacio de estados del modelo matemático ........................................................ 21 3.2 Lectura de ángulos ....................................................................................................................................24 3.2.1 Circuito de acondicionamiento para la señal de viaje ....................................................................... 24 3.2.2 Verificación de la lectura del encoder absoluto ................................................................................. 26 4. ESTIMACIÓN DE LA PLANTA PARA EL DISEÑO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL ............................................... 27 4.1 Estimación función de transferencia para elevación ................................................................................. 28 4.2 Estimación función de transferencia para viaje ..........................................................................................30 5. DISEÑO DE LAS ESTRATEGIAS DE CONTROL ................................................................................................. 32 5.1 Diseño de controladores PID ..................................................................................................................... 32 5.1.1 Estrategia de control PID de un grado de libertad ............................................................................. 33 5.1.2 Estrategia de control PID de dos grados de libertad ......................................................................... 35 5.2 Diseño de controladores por espacio de estados .......................................................................................37 5.2.1 Diseño de controlador LQR ...............................................................................................................39 5.2.2 Diseño de control por ubicación de polos reales ................................................................................ 42 6. IMPLEMENTACIÓN DE ESTRATEGIAS DE CONTROL ...................................................................................... 45 6.1 Implementación control PID ..................................................................................................................... 45 6.2 Implementación control PID 2 grados de libertad ..................................................................................... 46 6.3 Implementación control por espacio de estados ........................................................................................ 48 7. VALIDACIÓN DE LAS ESTRATEGIAS DE CONTROL .......................................................................................... 51 7.1 Validación control PID de un grado de libertad ......................................................................................... 51 7.2 Validación control PID de dos grados de libertad .......................................................................................52 7.3 Validación control LQR por espacio de estados .......................................................................................... 53 7.4 Validación control por espacio de estados método de ubicación de polos reales ....................................... 54 8. ARQUITECTURA DE RED GENERAL................................................................................................................ 56 8.1 Descripción de capas de la arquitectura general ....................................................................................... 57 8.1.1 Capa del hardware .......................................................................................................................... 57 8.1.2 Capa del servidor ............................................................................................................................ 58 8.1.2.1 Raspberry ............................................................................................................................................. 58 8.1.2.1.1 Controlador de hardware................................................................................................................. 58 8.1.2.1.2 servidor web ................................................................................................................................... 59 8.1.2.1.3 Servidor de base de datos ................................................................................................................. 59 8.1.2.2 Servidor de transmisión en vivo .............................................................................................................60 8.1.3 Capa del cliente .............................................................................................................................. 60 8.2 Protocolos de comunicación ..................................................................................................................... 60 8.2.1 Protocolo TCP/IP .............................................................................................................................. 61 8.2.2 Protocolo serie ................................................................................................................................. 62 9. DESARROLLO DEL BACK-END ....................................................................................................................... 63 9.1 Descripción de los direccionamientos de la aplicación ............................................................................... 65 10. DESARROLLO DEL FRONT-END ...................................................................................................................... 67 10.1 Descripción del código html ..................................................................................................................67 10.1.1 Página de inicio ........................................................................................................................... 68 10.1.2 Página principal ......................................................................................................................... 68 10.1.3 Página de invitado...................................................................................................................... 70 10.2 Descripción del código en JQuery ........................................................................................................ 70 10.2.1 Descripción del código de los botones en la página de administrador ...........................................70 10.2.2 Descripción del código de los botones en la página de inicio ........................................................ 74 11. RESULTADOS Y EVIDENCIAS .......................................................................................................................... 75 11.1 Interfaz de usuario .............................................................................................................................. 75 11.2 Modificaciones al helicóptero de 3DOF ................................................................................................ 78 12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 82 13. REFERENCIAS ................................................................................................................................................ 85 14. ANEXOS ........................................................................................................................................................88 14.1 Modelo matemático y representación en Estados ................................................................................ 88 14.2 Diseño control PID 1 grado de libertad ................................................................................................. 90 14.3 Diseño Control PID de dos Grados de Libertad ..................................................................................... 91 14.4 Diseño Control por Espacio de Estados LQR .......................................................................................... 93 14.4.1 Diseño control para elevación ...................................................................................................... 93 14.4.2 Diseño control para viaje ............................................................................................................ 94 14.5 Diseño Control por Espacio de Estados Ubicación de Polos Reales ........................................................ 96 14.5.1 Diseño control para elevación ...................................................................................................... 96 14.5.2 Diseño control para viaje ............................................................................................................ 98 14.6 Implementación en Arduino de control PID de un grado ...................................................................... 99 14.7 Implementación control PID dos grados de libertad ............................................................................ 104 14.8 Implementación control por espacio de estados ................................................................................. 109 14.9 Lectura de sensores para la validación de las estrategias de control ................................................... 113 14.10 Código raíz de apache para correr aplicaciones de python ................................................................. 114 14.11 Código del archivo “run.wsgi” ............................................................................................................. 115 14.12 Código de la aplicación principal escrito en python ............................................................................. 115 14.13 Código HTML de la página de inicio .................................................................................................... 118 14.14 Código HTML de la página de administrador .......................................................................................121 14.15 Código HTML de la página de invitado ................................................................................................ 127 14.16 Código en JQuery de las funciones de los botones en la página de administrador ............................... 129PregradoThe practical component is of great importance for engineering careers. Citing a publication of the Mexican cement industry in The Importance of Laboratories, a starting point is opened with which it is argued the importance of the student corroborating the results obtained theoretically by having a close encounter with the practical results and the uncertainties that will generate significant changes in the results. In recent months, laboratory practices in universities were directly affected by the COVID-19 emergency, before which the Colombian Ministry of Education issued directives 04, 06 and 08 of 2020, where it is ordered that the Institutions higher education (HEI) must implement the theoretical component of the programs assisted by the tools offered by information and communication technologies (ICT) restricting student access to laboratories and affecting their learning. To avoid these problems, it was proposed to create remote environments that allow students to develop practical laboratory sessions. In particular, this project focused on the laboratory of the advanced control subject of the mechatronics engineering program (IMK) of the UNAB, where a physical plant was taken with a non-linear model that is accessed through a remote communication system with a web interface accessible via the internet.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDiseño e implementación de un sistema de comunicación remota que permita poner en práctica estrategias de control avanzado en una planta física con un modelo no linealDesign and implementation of a remote communication system that allows to implement advanced control strategies in a physical plant with a non-linear modelIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicEducational methodsField workObjective teachingLaboratoriesConnectivityRemote communicationMecatrónicaMétodos educativosTrabajo de campoEnseñanza objetivaLaboratoriosPrácticaConectividadComunicación remotaZAMORA MUSA, R. Laboratorios remotos. Análisis, características y su desarrollo como alternativa a la práctica en la facultad de ingeniería. Inge-CUC. Revista de la facultad de ingeniería, Vol 6, nro 6, p282-290. 2010. Disponible en: ISSN 0122-6517MAR CONELIO, O; SANTANA CHING, I.; GONZÁLEZ GULÍN, J. Sistema de Laboratorios Remotos para la práctica de Ingeniería de Control. En: Revista Científica. Colombia: 2019, vol. 36, nro 3, p356-366. Disponible en: Doi: https://doi.org/10.14483/23448350.14893GUERRERO GÓMEZ, Yosman. Diseño de un sistema de control óptimo y un control predictivo para un prototipo de helicóptero de tres grados de libertad. Ingeniero mecatrónico. Colombia: Universidad Autónoma de Bucaramanga, Ingeniería mecatrónica. Santander. 2019ESPINOSA, Jairo. Control lineal de sistemas multivariables. 2003, p27IBM. (2020). Protocolos TCP/IP. Obtenido de: https://www.ibm.com/docs/es/aix/7.2?topic=protocol-tcpip-protocols INCIBE. (2018). El protocolo serie, entiéndelo y protégelo. 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