ACCESO REMOTO A ENSAYOS DE CONTROL EN TIEMPO REAL

ACCESO REMOTO A ENSAYOS DE CONTROL EN
TIEMPO REAL BASADOS EN MATLAB
Rafael Palacios, Ramón Rodríguez Pecharromán
ETS Ingeniería (ICAI)
Universidad Pontificia Comillas
Alberto Aguilera 23
28015 Madrid
[email protected]
Resumen
Este artículo presenta un sistema para acceso
remoto por Internet a equipos del Laboratorio de
Control de la Escuela Técnica Superior de
Ingeniería (ICAI), de la Universidad Pontificia
Comillas de Madrid. En este laboratorio se trabaja
habitualmente con Matlab para realizar las
prácticas presenciales y por lo tanto se ha querido
mantener Matlab como herramienta para las
simulaciones y los ensayos que se realizan en
remoto. En algunos casos la interacción con el
servidor web se puede realizar por medio de la
herramienta Matlab Web Server, pero en este
artículo se presenta una solución alternativa para
conectar con Matlab de una manera más flexible y
que permite realizar el control en tiempo real de
los equipos del laboratorio. El sistema está
accesible en http://www.iit.upco.es/wlab
1. Motivación
El desarrollo del sistema que se presenta en este
artículo pone al alcance de usuarios de Internet
una de las prácticas que se desarrollan
habitualmente en el Laboratorio de Control. La
ventaja de hacer las prácticas accesibles por
Internet es que permite a los alumnos realizarlas
en cualquier momento y fuera del horario normal
del laboratorio.
Además permite que otras
personas que se conecten de manera remota, por
ejemplo desde Universidades de otros países,
tengan también acceso a las prácticas.
Es
importante destacar que todo el software
específico (Matlab, drivers de acceso a las tarjetas
de control, programas de comunicaciones) está
instalado en los ordenadores de la Universidad y
algunos tienen licencias que pertenecen a la
Universidad. Sin embargo los alumnos no tienen
necesidad de instalar ninguno de estos programas
ni requieren poseer licencias ya que para el acceso
sólo necesitan disponer de un navegador de
Internet estándar. El acceso puede realizarse por
lo tanto desde las aulas de ordenadores para
alumnos, desde un cibercafé o desde dispositivos
móviles como PDAs tipo Palm o Blackberry.
Se contaba inicialmente con cierta experiencia
en cuanto a comunicaciones por Internet e
interacción con equipos físicos para realizar
ciertas actuaciones. Los principales ejemplos son
la aplicación para actuar desde un navegador
sobre el mecanismo de apertura de puerta de un
edificio [3], y un sistema para enviar órdenes y
recibir variables de estado de un robot conectado a
Internet mediante sistemas de poco ancho de
banda [4]. Este tipo de aplicaciones siempre han
resultado muy vistosas y atractivas para los
alumnos y en general para cualquier usuario con
cierta experiencia en Internet.
El laboratorio de control cuenta con varios
sistemas preparados para hacer ensayos:
• Sistema térmico (control de temperatura de un
flujo de aire)
• Servomecanismo de posición y velocidad
• Sistema hidráulico (control del nivel de un
depósito de agua)
• Brazo robot
Todos los sistemas se controlan mediante un
ordenador personal en el entorno de trabajo del
programa Matlab–Simulink. El control en tiempo
real se consigue mediante las herramientas RTW
(Real Time Workshop) y RTWT (Real Time
Windows Target). El uso de estas herramientas
permite al alumno identificar el sistema a
controlar, diseñar el control adecuado para el
mismo y finalmente probar dicho control sobre el
sistema real. Todo ello se realiza en el mismo
entorno de trabajo, lo que permite centrar el
esfuerzo en el diseño del control y no en la
implementación del mismo.
Este desarrollo forma parte del proyecto WLAB
para desarrollo de laboratorios con acceso remoto,
pensado para laboratorios con acceso Web y
acceso Wireless. Existe cierta confusión en la
nomenclatura de este tipo de sistemas. En [1] se
incluye una clasificación de los mismos que
resulta clarificadora. El diseño general de WLAB,
descrito en [5], contempla varias modalidades
para realizar las prácticas remotas y varios tipos
de prácticas.
Como modalidades se distingue entre
prácticas que se realizan de manera individual (o
en grupos que trabajan sobre el mismo ordenador)
y prácticas en grupo que realizan por varios
alumnos accediendo cada uno desde un ordenador.
Como tipos de prácticas se diferencia entre
simulaciones, que son puramente informáticas, y
ensayos reales, que actúan sobre un sistema físico.
Además se diferencia entre escenarios con modo
de acceso rápido y modo de acceso lento o
continuo. El modo de interacción rápido es de tipo
“bloqueante”, es decir que la comunicación entre
el interfaz de usuario y el alumno queda
interrumpida durante los pocos segundos que dura
el experimento. Por el contrario el modo de
interacción lento no es bloqueante, y mientras se
realiza el ensayo la información del interfaz se
actualiza automáticamente.
Resulta más
complicado de implementar por la manera en que
se deben presentar los resultados y porque debe
permitir que el usuario modifique parámetros
durante el ensayo.
El tipo de sistema que se describe en este
artículo, de acuerdo a la estructura general de
Internet
Servidor web
http
http
Ordenador del
laboratorio
s
2. Descripción general
pco.e
Figura 1. Servomecanismo de posición y velocidad
WLAB, permite realizar prácticas de tipo
individual, tanto de simulación como de ensayo, y
sólo de tipo rápido. Es de destacar que los
ensayos sobre el servomecanismo de control de
posición y velocidad se realizan en tiempo real.
La Figura 2 muestra el esquema de los
equipos necesarios para la implementación. La
seguridad es una de las cuestiones clave en el
desarrollo de laboratorios con acceso remoto [2].
Por ello, uno de los requisitos que se ha impuesto
al sistema es proporcionar un único punto de
acceso desde Internet, ya que esto facilita la
gestión de la seguridad. Al estar toda la red local
aislada de Internet por medio de un Firewall,
todos los posibles ataques externos afectan
únicamente a un servidor web especialmente
protegido.
Además el acceso se realiza
exclusivamente en protocolo http, lo que evita
posibles ataques por otros puertos y garantiza que
sólo se requiera un navegador de Internet en el
lado del cliente.
Ordenador del
laboratorio
LAN
u
Para el presente desarrollo se ha utilizado el
servomecanismo de control de posición y
velocidad (Figura 1), ya que permite realizar
ensayos rápidos en los que cada prueba dura unos
pocos segundos.
Figura 2. Esquema general de funcionamiento
El servidor web se encarga de establecer las
conexiones con los distintos ordenadores que
controlan los experimentos o que corren las
simulaciones (esta conexión es de tipo local). Los
parámetros del ensayo se recogen en formularios
html, el servidor web los envía a los ordenadores
de cálculo y recoge los resultados. Por lo tanto el
único requisito para el alumno es contar con un
navegador que soporte html estándar, lo cual abre
la posibilidad casi a cualquier dispositivo desde
grandes ordenadores a PDAs. Los requisitos
necesarios para realizar los experimentos nunca
son inusitados porque todos los cálculos se
realizan en los ordenadores de la Universidad y la
mayor carga hacia el exterior es la transmisión de
las gráficas de resultados, que no suponen ningún
problema ni siquiera para dispositivos portátiles
con poco ancho de banda.
3. Prácticas de simulación
En el caso de simulaciones, bastaría con que el
servidor web se comunicase con una máquina para
correr procesos de simulación en Matlab. Dicha
máquina puede ser el propio servidor web o bien
otro ordenador que se dedique exclusivamente a
correr las simulaciones. Por lo tanto el esquema
más habitual sería el que aparece en la Figura 3
Servidor web
Internet
http
LAN
upco
.es
Ordenador de
simulaciones
Figura 3. Prácticas de simulación
3.1. Simulaciones que no requieren tiempo real
Matlab proporciona una toolbox llamada
Matlab WebServer que ha sido desarrollada
específicamente para este tipo de aplicaciones. Se
puede utilizar para correr programas Matlab
implementados mediante funciones o scripts, o
bien para ejecutar programas desarrollados con la
herramienta Simulink.
Matlab WebServer arranca un programa de
comunicaciones y un proceso Matlab en el
ordenador de simulaciones.
Mediante un
formulario web, el servidor recibe las información
necesaria para lanzar una simulación, entonces
pasa los parámetros al programa de
comunicaciones el cual se comunica con el
proceso Matlab para pasarle los parámetros y
recibir los resultados, finalmente devuelve los
resultados al servidor web que se los presenta al
alumno.
El programa Matlab que se ejecuta suele ser
una función que arranca las simulaciones
desarrolladas en Simulink de la siguiente manera:
sim('programa_simulacion');
Es habitual tener que cambiar algunos
parámetros antes de iniciar la simulación. Aunque
en modo interactivo todas las variables del
workspace son accesibles desde Simulink, en
modo comando es necesario pasar las variables al
modelo de Simulink. Por o tanto los pasos son:
cargar el modelo, preparar los parámetros
mediante instrucciones setparam, arrancar la
simulación, y finalmente cerrar el modelo, por
ejemplo:
cubas_prop
set_param('cubas_prop/Kp','gain','Kp');
sim('cubas_prop')
bdclose
La variable Kp del ejemplo anterior debe ser
una variable global, por lo tanto si las
instrucciones anteriores se ejecutan desde una
función (en lugar de hacerlo desde un script de
Matlab) es necesario declarar Kp como global.
Existe la posibilidad de arrancar varios
procesos Matlab en el ordenador de simulaciones,
de manera que el sistema es capaz de correr varias
simulaciones simultáneas y por lo tanto se puede
atender a varios alumnos a la vez. En este caso
sería necesario contar con un licencia de Matlab
Web Server toolbox y de tantas de licencias de
Matlab, Simulink y toolboxes de cálculo como
procesos paralelos se quieran ejecutar.
En el caso de simulaciones que requieran
mucha potencia de cálculo, sería necesario utilizar
varios servidores de Matlab, tal y como se muestra
en la Figura 4. Bastaría sin embargo con único
servidor web, ya que la carga que produce este
tipo de aplicaciones en el servidor nunca es
grande pues los cálculos no se realizan en él. Para
este segundo planteamiento sería necesario contar
con una licencia de Matlab WebServer para cada
servidor de cálculo y licencias de Matlab,
Simulink, toolboxes para cada proceso en marcha,
sumando los procesos Matlab de todos los
servidores de cálculo.
implementar un timer que se arranca transcurrido
un cierto tiempo. Un ejemplo de la función
timer_fin se presenta a continuación:
Servidor web
http
http
Ordenador de
simulación
L AN
upco
.es
Ordenador de
simulación
Figura 4. Simulaciones con alta carga computacional
3.2. Simulaciones en tiempo real
Matlab WebServer no soporta la ejecución de
simulaciones en tiempo real basadas en Simulink,
ya que no admite la ejecución en modo externo.
En la literatura se presentan diversas soluciones a
este problema. En [6] se opta por completar el
MWS con rutinas propias desarrolladas para
acceder al hardware en tiempo real, o bien por
salir del entorno Matlab y utilizar otras
herramientas como WinCon. En este artículo se
propone otra manera de realizar simulaciones y
ensayos en tiempo real.
Es posible lanzar procesos de Simulink que
requieren tiempo real desde la línea de comandos
sin necesidad de arrancar el entorno gráfico. Tras
cargar los parámetros de la simulación en
variables, la simulación en tiempo real servo_lab
se lanza mediante los siguientes comandos que
arrancan una simulación y luego preparan un
timer para cerrar el proceso:
servo_lab
set_param('servo_lab','SimulationCommand','connect')
set_param('servo_lab','SimulationCommand','start')
%Timer para cierre
t3=timer('ExecutionMode','fixedRate','StartDelay',10
,'TimerFcn','timer_fin','Period',1,'TasksToExecute',
1);
start(t3)
Dado que la simulación se ejecuta en paralelo
con el proceso principal de Matlab, el control
vuelve a la función principal que debe esperar a
que termine la simulación. No se ha encontrado
ningún método de detectar el final de la
simulación ni son válidas las funciones
sleep/pause porque interfieren con el proceso en
tiempo real. Por esta razón se ha optado por
function timer_fin
load data_0
plot(ref(:,1),[ref(:,2) vel(:,2)])
print -djpeg result
bdclose
quit
El tiempo que se fija al definir el timer debe
estar calculado de tal manera que lo active cuando
la simulación haya terminado. Cuando la función
timer se activa se crean las gráficas de resultados,
se cierra el proceso de Simulink y luego se cierra
todo el entorno Matlab para devolver el control al
servidor web.
Recogiendo los comandos anteriores en una
función que reciba los parámetros de la
simulación como argumentos, es posible arrancar
Matlab desde la línea de comandos mediante la
siguiente llamada tipo unix:
matlab –r 'global Kp; servo(0.01)'
Existe la posibilidad de modificar esta llamada
con las opciones –nodisplay, -nodesktop, y –jvm
para controlar si se quiere que aparezcan o no las
ventanas de Matlab en la pantalla del ordenador
de simulación. Sin poner ninguna de estas
opciones se puede comprobar (estando en el
laboratorio) que el ordenador de simulación está
recibiendo las llamadas del servidor web y está
generando correctamente las gráficas.
Las simulaciones en tiempo real tienen sentido
en aplicaciones de entrenadores de operadores de
planta, por ejemplo, pero no son un objetivo
prioritario en este desarrollo. Sin embargo, esta
manera de llamar a Matlab es la que se ha
aplicado también para realizar los ensayos en
tiempo real, como se describe más adelante. Por
otro lado es interesante comentar que también se
puede aplicar este método de correr procesos de
Matlab para realizar simulaciones que no
requieran tiempo real, habiéndose desarrollado
una alternativa a la toolbox de WebServer. Esta
alternativa está formada por un programa PHP que
recibe los parámetros de la simulación de un
formulario HTML y realiza una llamada externa a
Matlab quedando a la espera de que concluya la
ejecución (llamada tipo exec). Si las simulaciones
corren en el mismo servidor web, entonces basta
ejecutar el comando Matlab desde PHP, y si se
desea que las simulaciones corran en otros
Servidor web
http
http
Ordenador del
laboratorio
.es
El objetivo fundamental del sistema
desarrollado ha sido permitir que los alumnos de
la Universidad realicen sus prácticas de
laboratorio por Internet, como si se encontrasen
físicamente en el laboratorio.
Para realizar la primera aplicación práctica se
ha elegido el servomecanismo de control de
posición y velocidad cuya imagen aparece en la
Figura 1. Este equipo tiene la ventaja de que tiene
una respuesta muy rápida y por lo tanto cada vez
que se realiza una modificación de los parámetros
se puede solicitar un nuevo ensayo que dura pocos
segundos. Por lo tanto es un buen ejemplo de la
aplicación de ensayos rápidos contemplada en la
estructura general de WLAB y se puede
implementar haciendo que el interfaz de usuario
no se “repinte” entre la orden de inicio de ensayo
y la obtención de los resultados finales. El
esquema general del control que se utiliza para
esta práctica aparece en la Figura 5
Los comandos para ejecutar procesos en
tiempo real que actúan directamente sobre el
hardware son los mismos que los presentados para
realizar simulaciones en tiempo real.
La
diferencia principal es que en este caso sí es
necesario realizar la llamada a Matlab por medio
de los comandos rsh ó ssh ya que sólo tiene
sentido correr el proceso en el ordenador
conectado físicamente con el equipo de ensayos
del laboratorio. Por lo tanto el esquema de
funcionamiento es similar al que aparece en al
Figura 4, salvo que los ordenadores que corren
Matlab contienen los drivers de acceso a las
tarjetas de adquisición de datos, el kernel de
tiempo real y están conectados físicamente a los
equipos del laboratorio (Figura 6).
upco
4. Prácticas de ensayos en equipos reales
Figura 5. Esquema del control en tiempo real
Ordenador del
laboratorio
L AN
ordenadores, entonces hay que llamar a Matlab
por medio de rsh (remote shell) o la versión
segura para ejecución remota ssh (secure shell).
Con este sistema es necesario disponer de
tantas licencias de Matlab como procesos
paralelos ocurran en la realidad, sin embargo no es
necesario disponer de licencias de Matlab
WebServer.
Una diferencia importante con
respecto a WebServer, es que cada simulación
requiere un tiempo mayor puesto que Matlab debe
arrancar desde cero para correr cada simulación,
mientras que en el sistema WebServer el proceso
Matlab siempre está arrancado a la espera de
recibir trabajos. Esto se traduce en mayores
tiempos de espera para los usuarios. Por otro lado
si se lanzan más simulaciones simultáneas que
licencias, en WebServer el interfaz de usuario se
queda bloqueado a la espera de que quede libre un
proceso Matlab para correr la simulación,
mientras que en el método de llamada por
comando se obtiene un error de falta de licencia y
el control vuelve inmediatamente.
Figura 6. Prácticas de ensayos reales
La página que gestiona las peticiones de
ensayos y que se ejecuta en el servidor web debe
tener en cuenta varias consideraciones. En primer
lugar puede no ser válido cualquier ordenador del
laboratorio para realizar el ensayo, ya que es
necesario enviar la tarea al ordenador conectado
con el equipo concreto que se quiere ensayar. En
el caso de correr simulaciones existe más
flexibilidad en la asignación de tareas aunque
también se suele asignar cada tipo de tarea a un
ordenador concreto. En segundo lugar hay que
tener en cuenta que los ordenadores personales
sólo pueden correr un proceso en tiempo real cada
vez, especialmente en el caso de ensayos reales.
Para evitar problemas lo más sencillo es restringir
a un ensayo de tiempo real por equipo, lo cual se
controla fácilmente mediante variables de sesión
que se registran en una base de datos. En tercer
lugar es necesario que la página web que trata los
datos del formulario se asegure de lanzar un
proceso de Matlab con parámetros válidos y que
dicho proceso no puede fallar, ya que de lo
contrario el sistema se quedaría bloqueado
esperando la respuesta y se podría llenar la pila de
procesos.
Adicionalmente es recomendable en el caso de
los ensayos reales poner protecciones tipo
hardware pare evitar que los equipos puedan sufrir
o causar deterioros. Hay que tener en cuenta que
en las prácticas presenciales es fácil detectar si un
equipo está funcionando fuera de la normalidad
por percepción visual o acústica directa, sin
embargo en el caso de ensayos remotos hay que
extremar la seguridad.
Es conveniente, también, incorporar al sistema
la transmisión de audio y video para que el
usuario alcance una mayor sensación de contacto
físico con el equipo real.
5. Conclusiones
Se ha desarrollado un sistema para acceso
remoto por Internet a equipos del Laboratorio de
Control de la Escuela Técnica Superior de
Ingeniería (ICAI), de la Universidad Pontificia
Comillas de Madrid. Los equipos del Laboratorio
funcionan en el entorno de trabajo del programa
Matlab-Simulink.
Este desarrollo es parte del sistema WLAB de
laboratorios con acceso remoto, que contempla
diferentes situaciones: simulaciones y ensayos,
trabajo individual y en grupo, etc. Este artículo se
centra en el caso de simulaciones y de ensayos
con equipos reales, del tipo que denominamos
“rápido”
Matlab proporciona una toolbox llamada
Matlab WebServer que ha sido desarrollada
específicamente para este tipo de aplicaciones. En
el artículo se presenta otra forma de enlace entre
el servidor web y los ordenadores que ejecutan las
simulaciones o ensayos. En el caso de
simulaciones, es una alternativa con ventajas e
inconvenientes. Sin embargo, en el caso de
ensayos con equipos reales es imprescindible, ya
que el control en tiempo real de equipos externos
mediante Simulink no está soportado por el
Matlab WebServer. Actualmente se está
desarrollando el modo de funcionamiento lento,
que debido a la duración del ensayo no permite
dejar el interfaz web bloqueado hasta obtener los
resultados finales, como se ha hecho ahora. El
sistema que se está desarrollando para ensayos
lentos muestra gráficas del estado del sistema que
se refrescan automáticamente y permite cambian
los parámetros del control durante el ensayo. Este
enfoque es el más apropiado para algunas
prácticas como por ejemplo el control de nivel del
depósito de agua.
Referencias
[1] Dormido Bencomo, S. "Control learning:
present and future", 2002 IFAC, 15th
Triennial World Congress, Barcelona, Spain
[2] Ko, C.C., Chen, B.M. Chen J., Creating
Web-based Laboratories. Springer, 2004
[3] Palacios, R. "Remote Automatic Doorman via
the Internet", Communications of the ACM,
Vol 45. Nº 10, pp. 23-25. October 2002.
[4] Palacios, R. Sánchez, A. " Sistema para el
control remoto de un robot mediante un
navegador de Internet", Anales de Mecánica y
Electricidad. Vol. LXXVIII, Mayo-Junio
2001. pp. 25-27.
[5] Rodríguez Pecharromán, R., Palacios, R.
"Laboratorio para Acceso Remoto por
Internet: WLAB", I Jornadas: Laboratorios
Virtuales y Remotos. 11-12 diciembre de
2003, Madrid.
[6] Valera, A., Díez, J.L., Vallés, M. y Albertos,
P. (2005) “Virtual and Remote Control
Laboratory Development”, IEEE Control
Systems, vol. 25, no. 1, pp. 35-39.