Sistema de levitación neumático - Modelado, linealización y control básico, usando una App de Android.
Leonardo Enrique Bermeo Clavijo, Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
lbermeoc@unal.edu.co
Resumen
Esta actividad se trata del modelado, linealización y control básico de una planta experimental: el levitador neumático. Esta es una planta física que ha sido usada para la enseñanza de control en varias universidades (vea referencias [1], [2] y [3]). La mayor contribución de esta actividad está en la realización de un modelo virtual para Android (usando el Simulink Support for Android Devices) que sirve para realizar experimentos en clase con la planta virtual.
Para el desarrollo de la actividad se incluye un Livescript con el siguiente contenido:
- Modelo no lineal del sistema
- Modelo lineal del sistema, obtenido mediante la herramienta de álgebra simbólica.
- Análisis de estabilidad por medio del test de Rooth - Hurtwitz, usando álgebra simbólica.
- Diseño de controlador P y PI, usando los resultados del test de Rooth - Hurtwitz.
- Tres actividades para el estudiante, la última de las cuales es un reto de mayor dificultad.
Contexto
Desde un punto de vista pedagógico, es importante que las metodologías usadas en el aula de clase sean orientadas hacia el aprendizaje activo y centrado en el estudiante. En el caso particular de la disciplina de control, es muy importante que los estudiantes tengan una aproximación simultánea conceptual y perceptiva a los fenómenos reales que se asocian con la retroalimentación en sistemas físicos. En ese sentido, esta actividad tiene dos momentos: (i) la parte conceptual desarrollada en el Livescript y (ii) la parte perceptiva representada en el modelo virtual de realizado en la App de Android. Es una actividad para desarrollar en una clase y fomentar la discusión de varias temáticas en un curso de control
Objetivos de la Actividad
- Linealización de sistemas no lineales por medio de la herramienta de álgebra simbólica
- Análisis de estabilidad usando el teorema de Rooth - Hurtwitz
- Ajuste de acción proporcional de control con base en los criterios de estabilidad
- Ajuste de Acción Proporcional + Integral con base en el criterio de estabilidad
- Interacción con un modelo virtual de Android del levitador neumático para percibir los conceptos aprendidos
Materiales de Enseñanza
- Un Livescript con los conceptos fundamentales y 2 actividades para realizar en clase. Se propone también un reto de mayor dificultad para realizar fuera de clase y ganar puntos extra .
- Una aplicación de Android para ejecutarse en un celular Android de forma standalone
.
levitador_livescript.mlx -- educator-only file
HideNotas para los Educadores que usen la actividad
Esta actividad está pensada para desarrollar durante la clase. Toda la actividad se puede desarrollar con la aplicación para móviles de Matlab e instalando la aplicación de Android que se adjunta a esta actividad.
Evaluación
La evaluación de esta actividad se puede realizar respondiendo a las actividades que se sugieren en el Livescript. El profesor también puede dar puntos extra formulando preguntas durante la clase con preguntas cualitativas, tales como:
- ¿Es cierto que siempre la salida en sistemas inestables reales crece ilimitadamente si tienen polos en el semiplano derecho?
- Explique cualitativamente la razón por la cual este sistema se hace inestable al superar cierto valor de la acción proporcional.
Se incluye también un reto de mayor dificultad para realizar por fuera de clase .
Recursos adicionales
Estos artículos contienen información detallada de la planta presentada en esta actividad
https://doi.org/10.3390/s17102321
Esta actividad fue creada como parte del Taller con MATLAB Septiembre 2023.