Escuela Técnica Superior de IngenierosUniversidad de Sevilla

Adaptación para Control a través de Redde un Sistema de Levitación Neumática.

Autor: D. Zaui Mahmud TalebTutor: Dr. Manuel G. Ortega Linares

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería de Telecomunicación

Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática

Sevilla, Febrero 2010

DEDICATORIAA mi familia.A mis amigos.

“La experiencia es directamente proporcional a la cantidad de materialdestruido durante la realización de experimentos.”

Anónimo

Prefacio

La arquitectura tradicional de comunicación punto a punto pa-ra los lazos de control realimentados, que ha sido implementadacon éxito en la industria durante décadas, se ha vuelto poco prác-tica, cuanto menos inviable en algunos casos debido el aumentode dispositivos físicos, los problemas de espacio u otros factoresque limitan este tipo de arquitectura. La introducción de redesde comunicación para el control, aporta una considerable dismi-nución de cableado y por consiguiente una mayor facilidad en elmantenimiento, una mejora de la versatilidad y una disminucióndel coste de la aplicación.

En este Proyecto Fin de Carrera, se realizan una serie de ex-perimentos sobre la planta de levitación neumática LeviNeu, sitaen el laboratorio del Departamento de Ingeniería de Sistemas yAutomática, con el fin de obtener una simulación del compor-tamiento del sistema en un supuesto control a través de red,teniendo en cuenta los distintos parámetros que puedan afectar ala calidad de servicio que ofrece dicha red. Dichos experimentosintentan modelar el comportamiento de una red de paquetes va-riando sus parámetros de calidad de servicio, como son el retardovariable, la probabilidad de pérdida, o la cuantización, y viendocómo afecta ello al control de la planta, y hasta qué punto siguesiendo viable realizar el control a través de la red en cuestión.

Al final del proyecto se muestran resultados de las distintasexperimentos realizadas y se extraen conclusiones respecto a laviabilidad del control a través de red de un sistema con las carac-terísticas inherentes y del entorno que posee la planta LeviNeu.

i

ii

Índice

Prefacio i

Índice iii

Índice de Figuras vii

Lista de Acrónimos xi

1 Introducción 1

1.1 Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Motivación del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Objetivos del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1 Desarrollo previo . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.2 Nuevos objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Organización de la documentación . . . . . . . . . . 4

2 Equipo utilizado en el proyecto 7

2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

iii

3 Puesta en marcha del sistema LeviNeu 11

3.1 Descripción del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Bucle de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Puesta en marcha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 Degradación de la calidad de servicio de la red 23

4.1 Consideraciones previas . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3.1 Control local . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3.2 Efecto de la cuantización . . . . . . . . . . . 28

4.3.3 Control a través de red . . . . . . . . . . . . 29

5 Programas desarrollados 35

5.1 Programas en LABView . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.2 Programas en CX-Programmer . . . . . . . . . . . . 37

5.3 Programas en C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.3.1 cuantizacion.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.3.2 retardo variable.cpp . . . . . . . . . . . . . . 39

6 Conclusiones 41

6.1 Conclusiones del control . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6.2 Contribuciones del proyecto . . . . . . . . . . . . . . 42

6.3 Líneas futuras de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . 42

iv

Apéndices 45

Apéndice A Guía de usuario rápida para la puesta

en marcha del sistema LeviNeu 47

Apéndice B Código fuente 53

B.1 retardo variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

B.1.1 retardo variable.cpp . . . . . . . . . . . . . . 53

B.1.2 retardo variable.h . . . . . . . . . . . . . . . 56

B.1.3 retardo variable.def . . . . . . . . . . . . . . 57

B.2 Cuantización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

B.2.1 cuantizacion.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . 57

B.2.2 cuantizacion.h . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

B.2.3 cuantizacion.def . . . . . . . . . . . . . . . . 58

B.3 Controlador PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

B.3.1 pid.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

B.3.2 pid.h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

B.3.3 pid.def . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Bibliografía 61

v

vi

Índice de Figuras

1.1 Bucle realimentado de un sistema de control local . 2

1.2 Bucle realimentado de un sistema de control a tra-

vés de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Principales elementos Hardware del sistema. . . . . 8

(a) Autómata Omron CJ1M. . . . . . . . . . . . . 8

(b) Sistema de visión Omron F150. . . . . . . . . 8

(c) Variador de frecuencia Omron F7. . . . . . . . 8

(d) Motor soplador ABB. . . . . . . . . . . . . . . 8

3.1 Los tres módulos del autómata CJ1M de Omron . 12

3.2 El PC, eje central del bucle . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3 La fuente de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.4 Los protectores Eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.5 Conexión de los equipos sobre el panel . . . . . . . 14

3.6 Vista general del sistema LeviNeu real . . . . . . . 15

3.7 Esquema general del sistema LeviNeu . . . . . . . . 15

3.8 Una captura del sistema de visión F150 . . . . . . . 16

vii

3.9 Formato de la trama Host Link . . . . . . . . . . . 20

4.1 Esquema de la simulación del retardo variable . . . 26

4.2 Comportamiento del sistema en un control local

con PID lento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3 Comportamiento del sistema en un control local

con PID rápido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.4 Comportamiento del sistema con cuantización 0.5

y PID lento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.5 Comportamiento del sistema con cuantización 0.5

y PID rápido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.6 Efecto de la cuantización. . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.7 Comportamiento del sistema con una red de retar-

do variable y probabilidad de pérdida 0%. . . . . . 30

4.8 Comportamiento del sistema con una red de retar-

do variable y probabilidad de pérdida 25%. . . . . 31

4.9 Comportamiento del sistema con una red de retar-

do variable y probabilidad de pérdida 50%. . . . . 31

4.10 Efecto del retardo variable que introduce la red

(máx 2 seg). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.11 Comportamiento del sistema con una red de retar-

do variable y probabilidad de pérdida 0%. . . . . . 32

viii

4.12 Comportamiento del sistema con una red de retar-

do variable y probabilidad de pérdida 25%. . . . . 33

4.13 Comportamiento del sistema con una red de retar-

do variable y probabilidad de pérdida 50%. . . . . 33

4.14 Efecto del retardo variable que introduce la red

(máx 4 seg). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.1 Captura de pantalla del diagrama de bloques de

LABView. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.2 Captura de pantalla del diagrama de bloques de

LABView 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.3 Captura de pantalla de CX-Programmer. . . . . . . 38

A.1 Los protectores Eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . 48

A.2 El operador digital desarmado del variador . . . . . 48

A.3 Los leds de estado del variador de velocidad. . . . . 49

A.4 Los leds de estado del autómata. . . . . . . . . . . . 49

A.5 La barra de herramientas de CXProgrammer. . . . 50

A.6 Los leds de estado del sistema de visión. . . . . . . 51

A.7 Secuencia de pasos para activar LeviNeu. . . . . . . 52

ix

Bibliografía

[1] J.J. Caparrós Jiménez: Construcción, identificación y mo-delado de un sistema de levitación neumática. Escuela Su-perior de Ingenieros, Universidad de Sevilla, 2005. Citadoen las páginas 4, 17, 18, 21, 35, 48 y 50.

[2] Fernando Borja Breña Lajas: Diseño de estrategias de con-trol para un sistema de levitación neumática. Escuela Supe-rior de Ingenieros, Universidad de Sevilla, 2005. Citado enlas páginas 4 y 16.

[3] Omron: Manual del sensor de visión 1. Manual 1: SetupManual, 2002. Citado en las páginas 16 y 17.

[4] Omron: Manual del sensor de visión 2. An expert Manual ofthe F150. Manual 2: Expert Menu Opration Manual, 2002.Citado en las páginas 16 y 17.

[5] Omron:Manual del Autómata CJ1M. CJ1M User’s Manual.Citado en la página 17.

[6] Omron: Manual del Variador de velocidad. VarispeedF7User’s Manual. Citado en la página 17.

[7] José Antonio Pérez García de Castro: Plataforma de controlremoto aplicada a un sistema de levitación neumática. 2005.Citado en las páginas 19, 20, 35 y 37.

[8] The C++ Resources Network. www.cpluplus.com. Citadoen la página 52.

[9] National Instruments: LABView User Manual, 2003.Citado en la página 52.

61

62 BIBLIOGRAFÍA

[10] Frank Mittelbach, Michel Gossens, et al.: The LATEX Com-panion: Tools and Techniques for Computer Typesetting.Addison-Wesley, 2nd edition, 2004. Citado en la página52.

[11] Helmut Kopka and Patrick W. Daly: A GUIDE TO LATEX:Document Preparation for Beginners and Advanced Users.Addison-Wesley, 3rd edition, 1999. Citado en la página 52.

[12] Donald E. Knuth: The TEXbook. Addison-Wesley, 1984.Citado en la página 52.