R0065 : Regulación automática con MATLAB. Una aplicación

REGULACIÓN AUTOMÁTICA CON MATLAB
UNA APLICACIÓN INTERACTIVA EN LA DOCENCIA
Jorge Traver, Mireia Pascual, Pablo Buenestado, José Gibergans
Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica Industrial de Barcelona
[email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
1. RESUMEN
La Regulación Automática es una asignatura troncal de seis créditos del cuarto
cuatrimestre de la titulación de Ingeniería Técnica Industrial especialidad
Electricidad cursada en la EUETIB. El contenido de ésta asignatura se centra
en la teoría general de sistemas, estudiando sistemas eléctricos, mecánicos,
químicos,
termodinámicos,
etc.,
modelizandolos
matemáticamente,
analizándolos temporal o frecuencialmente, para conseguir el control de éstos.
En el estudio de la regulación automática, al tratar con sistemas reales,
aparecen cálculos matemáticos complejos. Éste es el motivo principal de
desanimo entre los estudiantes. Por esta razón consideramos necesario incluir
herramientas informáticas que nos faciliten la obtención de resultados de una
manera ágil, directa y visual.
En esta comunicación se presenta el Proyecto Final de Carrera, “Regulación
Automática con MATLAB”, llevado a cabo en primer cuatrimestre del presente
curso 2002/03 por dos estudiantes de la EUETIB dentro del departamento de
matemática aplicada III de la UPC.
Nuestro estudio explícita los conceptos de la asignatura desde el punto de
vista del MATLAB apoyándose en el programa oficial de la asignatura.
MATLAB es un programa extendido en el mundo de la ingeniería. Incorpora un
lenguaje intuitivo y un entorno de cálculo técnico. Proporciona matemáticas
básicas y herramientas gráficas avanzadas para el análisis de datos, la
visualización y el desarrollo de algoritmos y aplicaciones. Además incluye
colecciones de funciones altamente optimizadas y especializadas, llamadas
Toolboxes. En concreto, para el diseño de sistemas automáticos y el estudio de
su comportamiento, el MATLAB dispone de la Control System Toolbox.
Además, incorpora un entorno de simulación de sistemas, denominado
SIMULINK.
Hemos considerado oportuno que la manera idónea de mostrar los conceptos
es mediante un sitio web, por varias razones.
Internet permite crear una estructura hipertextual de la información, facilitando
la localización de información relevante.
Una web es una herramienta ideal, ya que puede verse desde cualquier lugar,
a cualquiera hora, y además es un medio moderno y económico que permite el
autoaprendizaje, o bien complementar, en paralelo, otras modalidades
tradicionales de enseñanza. Además, trabajar con páginas web permite
introducir interactividad, mediante la creación de elementos multimedia
(applets, viewlets, y Flash) que ayuden a asimilar mejor la materia.
El Proyecto tiene por objetivo la creación de un sitio web de soporte a la
asignatura de Regulación Automática, tanto en su parte teórica como práctica.
Para esta parte práctica, se introduce al alumno en el entorno
MATLAB/SIMULINK enseñándole a la vez una potente herramienta de trabajo.
Este sito web puede ser de gran ayuda para el desarrollo de los créditos de no
presencialidad dentro de dicha asignatura.
2 EL USO EDUCATIVO DE INTERNET
2.1 Ventajas e inconvenientes de una web
La utilización de una determinada tecnología, al igual que la toma de cualquier
decisión, siempre comporta unos "pros" y unos "contras". No obstante, la
manera en la que se utilicen los recursos didácticos, su adecuación a los
objetivos educativos que se persiguen y a las características de los
estudiantes, la metodología y la organización (forma de agrupamiento de los
estudiantes, estilo de trabajo, etc.) que se proponga el profesorado será
responsable, en gran medida, de los resultados que se obtengan.
Con todo, y considerando que se hace un uso adecuado de la aplicación de
Internet en los procesos de enseñanza y aprendizaje, se pueden considerar las
siguientes ventajas e inconvenientes potenciales que se muestran en la tabla 1.
2.2 Herramientas empleadas
2.2.1 Viewlet Builder 2.0
La tecnología Viewlet ofrece una potente solución multimedia para la
enseñanza a través de Internet.
Los Viewlets sirven para explicar de una forma visual cómo utilizar cualquier
aplicación informática, desde Photoshop hasta Windows98, pasando por Word,
Excel, Internet Explorer, etc.
También es útil para la realización de cursos on-line, marketing, realizar una
sección de FAQ's (Frecuency Answers and Questions), hacer demostraciones
de software así como para cursos de formación de empleados en la empresa.
ViewletBuilder es la herramienta de autor de la compañía Qarbon que permite
crear demostraciones animadas muy adecuadas para mostrar cómo usar el
software, ya que se pueden ver los movimientos del cursor, la apertura de
menús, la selección de elementos, etc. Al mismo tiempo mediante notas y
bocadillos se explica cada acción. También se puede insertar una locución en
cualquier formato de audio existente (MP3, WAV, etc.)
También es posible introducir interacción con el usuario mediante zonas y
botones para que el usuario haga clic, formularios de texto y botones para
detener la animación. También se pueden insertar direcciones web (URL) y
direcciones de correo electrónico, ver figura 1.
Figura 1: Mediante la visualización de un viewlet situado en la sección “Simplificación de
diagramas de bloques”, el usuario aprenderá como simplificar diagramas de bloques de
manera rápida y efectiva con la ayuda de MATLAB y SIMULINK.
2.2.2 Macromedia Flash 4.0
Macromedia Flash es un programa pensado para crear espectaculares
animaciones con contenido interactivo. Aunque dispone de múltiples funciones,
una de las ventajas más destacables que ofrece Flash es la posibilidad de
crear dibujos vectoriales, además de poder utilizar imágenes en múltiples
formatos tales como mapas de bits, JPG o GIF, entre otros. Las posibilidades
de Macromedia Flash son amplísimas y con múltiples utilidades dentro del
mundo multimedia, puesto que permite crear desde simples presentaciones
hasta complejas páginas web confeccionadas íntegramente con Flash.
Una ventaja de la utilización de animaciones Flash, es que prácticamente la
mayoría de los visitantes de su sitio web podrán visualizarlas sin problemas y
casi la totalidad del resto (las excepciones son realmente escasas) lo harán si
permiten que el pequeño programa se instale automáticamente, tras habérsele
pedido el oportuno permiso.
Nosotros usamos Flash para crear pequeñas animaciones que romperán con la
rutina de un texto tradicional. Gracias a estas animaciones conseguiremos una
mayor motivación del visitante del sitio web.
2.2.3. Applets
Un applet es una pequeña aplicación accesible de un servidor Internet, que se
transporta por la red, se instala automáticamente y se ejecuta in situ como
parte de un documento web. Dado que Java es multiplataforma y los applets
son soportados por la mayoría de navegadores, su uso se ha popularizado
bastante, ver figura 2.
Gracias al uso de applets conseguimos una interactividad en los contenidos
tratados. El usuario puede “juguetear” con las diferentes opciones del applet y
ver la respuesta según los parámetros elegidos.
Los applets tienen, sin embargo, un problema que impide que se utilicen más
habitualmente. Este problema consiste en que, al igual que sucede con las
imágenes, cuando colocamos un applet en una página web debemos definir un
rectángulo de un tamaño determinado donde permanecerá el mismo, no
pudiendo actuar fuera de sus márgenes.
Figura 2: En la figura podemos ver un applet sobre la influencia de polos y ceros en un
sistema.
Tabla 1 Ventajas e inconvenientes del uso educativo de las páginas web
VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL USO EDUCATIVO DE LAS PÁGINAS WEB
VENTAJAS
Acceso a mucha información. Internet
proporciona acceso a mucha información
de todo tipo: lúdica, noticias, formativa,
profesional, etc.
Generalmente se presenta en formato
multimedia e hipertextual, incluyendo
gráficos dinámicos, simulaciones, entornos
heurísticos de aprendizaje, etc.
Fuente de recursos educativos de todo
tipo (unidades didácticas, ejercicios
interactivos, información, etc.)
Además resulta fácil la captura de los textos
y los elementos multimedia, que pueden
utilizarse para la realización de múltiples
trabajos.
Acceso a canales de comunicación e
intercambio. Algunas páginas web
permiten acceder a chats y foros diversos
que pueden tener interés formativo para las
distintas asignaturas.
INCONVENIENTES
Visión parcial de la realidad. Internet presenta
una visión muy variada, pero parcial de la
realidad.
Informaciones falsas y obsoletas. En Internet
hay muchas informaciones falsas y anticuadas.
Falta de conocimiento de los lenguajes. A
veces los estudiantes no conocen
adecuadamente los lenguajes (audiovisual,
hipertextual, etc.) en los que se presentan las
páginas web, lo que dificulta su
aprovechamiento. Pueden perderse entre los
laberínticos caminos hipertextuales de las
páginas web.
Búsqueda del mínimo esfuerzo. A veces los
estudiantes hacen trabajos que son simples
copias de la información que han encontrado en
Internet.
Pocos contenidos españoles en Internet (un
80% son anglosajones)
Chatmanía. La posibilidad de acceder a los
espacios de chat muchas veces hace perder
tiempo a los estudiantes.
Diálogos rígidos, condicionados por el espacio
donde se escriben y por tiempo disponible.
Incumplimiento de "netetiquette". No
siempre se cumplen las reglas establecidas
para la comunicación telemática.
Interés. Motivación, La variedad y riqueza
de la información disponible en Internet, la
navegación libre por sus páginas, su
carácter multimedia, etc. son factores que
resultan motivadores para los estudiantes.
Distracción. Esta libertad de navegación y la
posibilidad de acceder a contenidos (no
siempre educativos) sin duda distrae muchas
veces del trabajo principal.
Prácticas de búsqueda y selección de
información. La consulta de páginas web
en Internet proporciona experiencia en la
búsqueda, valoración y selección de
información.
Pérdida de tiempo. Muchas veces se pierde
mucho tiempo buscando la información que se
necesita: distracciones, falta de método en la
búsqueda, exceso de información disponible,
etc.
Adicción. Los padres y profesores deberán
estar atentos ante estudiantes que muestren
una adicción desmesurada a navegar por
Internet.
Interacción. Continua actividad
intelectual. Los estudiantes están
permanentemente activos al navegar por
Internet buscando información y mantienen
un alto grado de implicación en el trabajo.
La libertad al navegar y la interactividad de
las páginas web mantiene su atención.
Ansiedad. La búsqueda de información en
Internet para la realización de un trabajo
también puede provocar ansiedad a algunos
estudiantes.
Desarrollo de la iniciativa. La libertad de
movimientos al buscar, consultar y
seleccionar información en Internet propicia
el desarrollo de su iniciativa
Problemas con los ordenadores. A veces los
estudiantes desconfiguran o contaminan con
virus los ordenadores.
Alto grado de interdisciplinariedad. Las
tareas educativas realizadas a partir de la
búsqueda y consulta de información en
Internet permiten obtener un alto grado de
interdisciplinariedad debido a la gran
cantidad y variedad de información
disponible y a su fácil acceso a través de
los enlaces hipertextuales y buscadores.
Dispersión. La gran cantidad de información,
de todo tipo,en Internet puede dispersar con
facilidad a los estudiantes, alejándolos de los
aspectos más importantes.
Individualización. El trabajo con páginas
web individualizan el trabajo de los
estudiantes ya que cada uno puede buscar
y consultar lo que le interese en función de
sus conocimientos previos y de sus
intereses.
Aislamiento. Internet permite que los
estudiantes trabajen y aprendan solos, pero un
trabajo individual, en exceso puede acarrear a
la larga problemas de sociabilidad.
Actividades cooperativas. El uso de
Internet como fuente de información,
propicia el trabajo en grupo y el cultivo de
actitudes sociales, el intercambio de ideas,
la cooperación y el desarrollo de la
personalidad.
Dependencia de los demás. El trabajo en
grupo también tiene sus inconvenientes, como
que algunos estudiantes vayan muy a remolque
de lo que hacen los demás, o incluso que no
trabajen.
Contacto con las nuevas tecnologías.
Trabajar con páginas web proporciona a los
estudiantes y a los profesores un contacto
con las TIC (1) que contribuye a facilitar la
necesaria alfabetización tecnológica.
Cansancio visual y otros problemas físicos.
Un exceso de tiempo trabajando ante el
ordenador o malas posturas pueden provocar
diversas dolencias.
Constituyen un buen medio de
investigación didáctica en el aula. Es un
nuevo recurso educativo lleno de
posibilidades
Distracción. El uso de un sitio web resulta
motivador, pero un exceso de ello, puede
provocar distracción en otros recursos
educativos.
(1) Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
3. REGULACIÓN AUTOMATICA CON MATLAB
Para el tratamiento de la asignatura con el programa MATLAB, hemos
considerado oportuno dividir el sitio web en tres secciones.
3.1 Temario:
En esta sección daremos una explicación clara de todos los conceptos
incluidos en el programa oficial de la asignatura.
Los temas incluidos en el programa son:
Tema 1: Introducción a la Automática
Tema 2: Sistemas realimentados
Tema 3: Análisis temporal de sistemas lineales
Tema 4: Espacio de estado
Tema 5: Respuesta en frecuencia
Tema 6: Comportamiento Temporal
Además de la teoría, cada concepto es tratado desde el enfoque de MATLAB
mostrando el uso de los comandos que tienen relación directa con los
conceptos explicados en la parte teórica.
Para mostrar el desarrollo teórico de la asignatura, nos hemos apoyado en
herramientas interactivos de Internet, como por ejemplo: applets, viewlets y
elementos en Flash.
3.2 Ejemplos
En esta sección se exponen ejemplos de la asignatura resueltos con MATLAB.
En la resolución se enseñara el código fuente generado y se da la posibilidad al
usuario de poderlo descargar.
También existen ejemplos en formato Viewlet
3.3 Problemas
En esta sección se muestran problemas reales resueltos íntegramente con
MATLAB / SIMULINK.
Para cada tema existen dos problemas, los cuales complementan lo explicado
en la sección de temario.
4. CONCLUSIONES
Un trabajo como el realizado en este proyecto es una fuente de posibles líneas
de trabajo en el futuro. El sitio web puede utilizarse como complemento a la
asignatura de Regulación Automática. El profesor podría crear un sistema de
evaluación dentro del sitio web, para comprobar los progresos de los
estudiantes. O también se podría utilizar nuestro trabajo como base para la
creación de unas prácticas con MATLAB dentro de la asignatura.
En cuanto al diseño del sitio web, hemos seguido una serie de pautas que nos
ayudaron a organizar el trabajo de forma óptima. Diseñar un sitio web no es
tarea fácil. Se requiere una buena organización y planificación de los medios,
los recursos y las etapas de producción.
Por otro lado, tanto principiantes como expertos nos vemos obligados a estar
formándonos continuamente por el tren imparable y vertiginoso de novedades
que aparecen cada día, en cuanto a nuevas herramientas y tecnologías de
Internet. En un medio tan cambiante como es Internet, éste es uno de los
secretos de tener éxito, estar siempre a la última tecnológicamente hablando.
Aunque eso obliga siempre a realizar un esfuerzo extra que seguramente,
excepto en el caso de los profesionales, nunca es compensado.
Afortunadamente, las herramientas utilizadas en este proyecto como
Dreamweaver, Flash y Viewlets nos facilitan la vida, ya que sin necesidad de
conocer ningún lenguaje de programación, podemos realizar prácticamente
cualquier tipo de diseño.
El uso de MATLAB y las herramientas tecnológicas para la comprensión de los
conceptos vistos en clase, consideramos que es muy importante porque nos
brinda una forma sencilla de visualizar conceptos que de otra forma sería
imposible observar en la realidad.
La Control System Toolbox de MATLAB, ha cumplido con las expectativas que
teníamos, ya que hemos visto que cubre prácticamente todos los aspectos
vistos en la asignatura, así como conceptos más avanzados en la teoría de
control.
Creemos que esta unión entre la asignatura de Regulación Automática y
MATLAB es tremendamente útil para un mayor entendimiento global de la
asignatura. Nuestro trabajo permite al estudiante o profesor ver la conexión que
existe entre la Control System Toolbox y la teoría explicada en la regulación
automatica. Gracias a ello es posible resolver problemas, o aplicaciones reales
de manera más rápida, visual y efectiva.
Por ultimo destacar que en este proyecto se han tratado diversos aspectos, uso
de herramientas para crear un sitio web, la Regulación Automática, la
programación en MATLAB y su Control System Toolbox.
5. REFERENCIAS
5.1 Bibliografía
Ogata, Katsuhiko. “Ingeniería de control moderna” (2ª edición), México.
Prentice-Hall Hispanoamericana, 1993.
Bolton, W. “Ingeniería de control” (2ª edición), Barcelona. Marcombo, 2001.
Bernstein, D. “History of Control”, IEEE Control Systems Magazine, Volumen
22, Número 2, Abril 2002.
Lewis, F. “Applied Optimal Control and Estimation”, Chapter 1: Introduction to
Modern Control Theory, Prentice Hall, 1992.
Kahne, S. “Obituary: Nathaniel B. Nichsols 1914-1997”. Volumen 33, número
12, 1997.
Nise, S. Norman. “Control Systems Engineering”, Addison-Wesley, 1994.
Peña, Oscar. “Edición de páginas web”, Anaya Multimedia, 2000.
“Using Control Systems toolbox”, the Mathwork inc., 1999.
5.2 Páginas web
http://www.desarrolloweb.com/
http://www.pinceldigital.com.ar/
http://www.webestilo.com/
http://www.tejedoresdelweb.com/
http://www.Flash-es.net/
http://www-hadoc.ensieg.inpg.fr
http://www.control.lth.se/
http://www.uco.es
http://www.control-automatico.net/
http://www.mathworks.com