Experiencia Adquisición y Despliegue de Datos

IEE2682 Laboratorio de Control Automático
Departamento de Ingeniería Eléctrica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE
Experiencia de Adquisición
y Despliegue de Datos
Experiencia Adquisición y Despliegue de Datos
1. Objetivos
Esta experiencia tiene por objetivo desarrollar un programa de interfaz usuario-controlador y una interfaz controladorproceso, ambas conforman la llamada interfaz de usuario o interfaz-hombre-máquina. Para tal propósito, el programa
deberá presentar en forma gráfica la información de una señal medida de un proceso y generar una señal de comando
para controlar el proceso. Además deberá permitir modificar los parámetros de controlador y el guardar el estado de
las variables del proceso para su posterior análisis.
2. Motivación
Los controladores digitales existen en una extenso número de sistemas, desde la regulación de velocidad de giro un
CD placer o un lector de CD-ROM, hasta los más sofisticados sistemas aeronáuticos o robóticos. El controlar la
posición o velocidad de desplazamiento de mecanismos es común en diversas industrias, las cuales no sólo incluyen
a la industria manufacturera. Por ejemplo, en las industrias químicas es posible encontrar una serie de mecanismos,
como servoválvulas, que poseen motores de corriente continua que proveen la fuerza para abrir o cerrar los pistones.
En muchas también existen motobombas cuya velocidad es regulada para ajustar el flujo de líquidos. Otros ejemplos
en los que controlar motores de corriente continua es necesario son los telescopios modernos y la mayoría de los
sistemas robóticos. Por estas razones, se utilizará el sistema motor-generador como plataforma genérica sobre la
cual se podrá probar estrategias de control básicas.
Por otro lado, en los sistemas computarizados de control, tanto la interfaz hombre-controlador, como la interfaz
controlador-proceso son de gran importancia, pues permiten la acción humana sobre el proceso y la adquisición de
datos del mismo para su análisis.
3. Trabajo Previo
3.1.Defina los siguientes conceptos:
 SCADA
 Componentes de un sistema SCADA
 DCS
 Componentes de un DCS
 Sistema de tiempo real (real-time system)
 Tipos de sistemas de tiempo real (hard vs. soft)
 Ejemplos de aplicaciones de tiempo real hard, soft, y aplicaciones que no son de tiempo real.
 Actualización en-linea (on-line), actualización fuera-de-línea (off-line).
 GUI, HMI, MMI, CLI, dispositivos de entrada.
 Diferencias entre GUI, HMI, MMI, CLI
 Ejemplos de GUI, HMI, MMI, CLI, dispositivos de entrada.
IEE2682_ADQUISICION_GUIA.doc
REV. 1 – 2009
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3.2.Desarrolle un programa para adquisición y despliegue de datos para la tarjeta PCI-DAS6014 que cumpla las
siguientes especificaciones.
Especificaciones de la Aplicación de Adquisición de Datos
1. Lenguaje de Implementación: C/C++.
2. Inputs del Usuario:
a. Modo de Operación del Controlador (Automático o Manual)
b. Ganancia Proporcional
c. Ganancia Integral
d. Ganancia Derivativa
e. Periodo de Muestreo
f. Valor de la Referencia
g. Generación de Señal Sinusoidal On/Off
h. Grabación de las últimas 450 muestras.
i. Inputs de teclado para cambio de la opción activa y modificación de las variables.
j. Valores del parámetro de incremento/decremento.
k. Tecla ESC para salir de la aplicación.
l. Inputs opcionales incluyen: modificación de la variable manipulada en forma independiente de la
referencia en modo manual, largo del registro a almacenar en disco, modificación de valores
registrados anteriormente.
3. Inputs del Proceso:
a. Valor de voltaje analógico medido y convertido a digital.
4. Outputs al Usuario:
a. Despliegue en pantalla del voltaje medido con unidades de Volts.
b. Despliegue en pantalla de la amplitud en Volts y frecuencia fijada por el usuario en Hertz de la
sinusoide generada.
c. Despliegue en pantalla de la amplitud de la sinusoide generada con unidades de Volts.
d. Despliegue en pantalla del tiempo del ciclo lectura-escritura con unidades de segundos.
5. Outputs al Proceso:
a. Valor digital convertido a analógico de una salida seleccionable:
i. Valor fijado por el usuario (referencia manual).
ii. Valor de salida de un controlador (variable manipulada).
iii. Señal de prueba sinusoidal con frecuencia y amplitud de voltaje fijado por el usuario.
6. Funcionalidad:
a. La aplicación deberá ser capaz de adquirir datos analógicos y convertirlos en un formato que
pueda ser impreso en pantalla o usado por un futuro controlador.
b. La aplicación deberá ser capaz de convertir a analógico una sinusoide de frecuencia arbitraria
muestreada en tiempo real a una tasa de 15 Hz o más. Esta será desplegada en el osciloscopio.
i. La aplicación deberá desplegar en pantalla los siguientes valores del proceso:
ii. Valor en Volts de la señal de referencia (SP).
iii. Valor en Volts del voltaje de salida (MV).
iv. Valor en Volts del voltaje medido (CV).
v. Valor de amplitud en Volts y frecuencia en Hertz de la sinusoide generada.
vi. Tiempo de ejecución del ciclo lectura-escritura en segundos.
vii. Alarma visual indicando al usuario que el tiempo de muestreo fijado supera el ciclo
lectura-escritura.
c. Los valores deberán ser desplegados en una misma pantalla acompañados de un rótulo
apropiado y sus unidades bajo las siguientes formas:
i. Valor numérico con unidades.
ii. Barras de porcentaje.
iii. Gráficos de magnitud vs. tiempo (SP y CV en un mismo recuadro, MV en otro recuadro).
Nota en modo manual SP=MV.
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d. La aplicación deberá permitir el input del usuario sin interrumpir la lectura, generación o
despliegue en pantalla de las señales.
e. La aplicación deberá permitir almacenar en disco en formato texto una secuencia finita de los
siguientes datos:
i. Tiempo de Muestra.
ii. Valor de SP.
iii. Valor de CV.
iv. Valor de MV
v. Parámetros del controlador.
f. La aplicación deberá generar una variable manipulada como salida de un controlador PID con un
ancho de banda limitado para la acción derivativa y que a la vez evite el "wind-up" de la acción
integral. El PID deberá formularse en versión incremental o de variables de estado.
g. La aplicación debe permitir la modificación en-línea de los parámetros indicados a continuación a
través de teclado y sin deshabilitar las funciones restantes:
i. Periodo de muestreo T
ii. Ganancia proporcional Kp
iii. Ganancia integral Ki (incluyendo efecto del periodo de muestreo T)
iv. Ganancia derivativa Kd (incluyendo efecto del periodo de muestreo T)
v. Valor de la Referencia SP
vi. Modo de operación (manual o automático)
vii. Valor de la variable manipulada en modo manual (MV)
viii. Largo del registro a almacenar en disco
ix. Modificación de valores de incremento y decremento.
7. Aspectos de Programación:
a. El programa deberá implementarse utilizando el mínimo de variables globales, es decir la
variables deben ser locales a la función en la que se emplean y pasarse por valor o por referencia
(según sea necesario) a las funciones que requieran el dato o bien que tengan por finalidad
modificarlo, respectivamente. Además, los prototipos de las funciones deberán declararse en un
archivo “header” (*.h), junto con las definiciones de constantes.
b. Documente el programa a medida que lo va implementando.
4. Desarrollo de la Experiencia
1. Utilizando una fuente de voltaje 0-10 V y un osciloscopio, muestre al ayudante las capacidades de lectura
de datos (conversión A/D) y escritura de datos (conversión D/A) del programa. Demuestre el
cumplimiento de cada una de las especificaciones planteadas en la sección de Trabajo Previo.
2. Presente en un osciloscopio una onda sinusoidal de 0.5 Hz generada por el programa con periodos de
muestreo T=0.1, 0.5, 1.0 segundos.
3. Con un circuito RC como el de la figura simule una planta de primer orden con ganancia estática 1 y
constante de tiempo de aproximadamente 10 segundos. Con el programa en modo manual y con periodo
de muestro T=0.1 s, alimente la planta con la señal de voltaje correspondiente a la variable manipulada y
muestre los resultados al ayudante.
R
Vi n
C
Vout
4. Con el controlador en modo manual, aplique escalones de voltaje de 2, 4 y 8 Volts al circuito RC, grabe
los resultados y compare gráficamente en el informe la señal de entrada con la señal de salida del circuito
RC.
5. Con el controlador en modo manual, aplique una sinusoide de 5 Volts peak-to-peak y 1, 10, 50 Hz al
circuito RC, grabe los resultados y compare gráficamente en el informe la señal de entrada con la señal de
salida del circuito RC.
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6. Repita el paso anterior pero ahora con el controlador en modo manual y ganancias Kp=1, Ki=0, Kd=0, y
ganancias Kp=10, Ki=5, Kd=5.
5. Informe Final
1. Entregue un diagrama de flujo del programa.
2. Entregue una copia impresa del código implementado documentado con líneas de comentarios lo
suficientemente explicativas y envíe por correo electrónico una copia al ayudante.
3. Presente gráficos comparativos de los resultados obtenidos en la preguntas 3, 4 y 5 de la Experiencia.
4. ¿Qué ocurre cuando se emplea un control puramente proporcional, puramente integral, puramente
derivativo, o combinaciones de estos? ¿Cómo varía la respuesta cuándo se varía un parámetro a la vez?
¿Existe un error permanente cuando se emplea un control puramente proporcional? ¿Por qué? ¿Cómo se
compara esto con lo teóricamente esperado para la planta RC?
5. Analice los gráficos que muestran el efecto de la compensación wind - up en el control.
6. Analice los gráficos que muestran el efecto del tiempo de muestreo en el control.
6. Implementos Utilizados
PC586 ó superior con pantalla VGA ó SVGA con bus PCI.
Tarjeta conversora A/D y D/A Measurement Computing PCI-DAS6014 y software asociado o
Módulo conversor A/D y D/A Measurement Computing USB-1208FS y software asociado.
Compilador MS Visual C/C++ o C#.
Fuente generadora de señal (± 10 V), 2 voltímetros y osciloscopio.
Protoboard, resistencias, condensadores y cables.
7. Referencias
[1] Apuntes de la Experiencia de Adquisición y Despliegue de Datos.
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