Emulación de sistemas como una metodología para la enseñanza de estrategias de control

Resumen

Cuando se están enseñando estrategias de control, es importante que la teoría sea aplicada tanto a nivel de simulación como en una implementación física. La simulación permite corroborar que la estrategia de control está bien aplicada y la implementación física permite enfrentarse con limitaciones como saturaciones, no linealidades, discretización, etc.

La simulación es de acceso más general en el sentido de que, al contar con un computador, se puede realizar en horarios más flexibles, en comparación con la implementación física donde se debe contar con un sistema prototipo al que no se tiene un acceso directo. Entre las limitaciones para acceder al sistema físico está la disponibilidad de horarios de los laboratorios, el número de estudiante esperando usar los sistemas y los horarios propios del estudiante.

Como opción para la implementación física se propone emular un sistema de prueba a través de un sistema embebido, de esta manera el control se haría sobre el sistema emulado acercándose al sistema real en una proporción mayor que la sola simulación.

Si el prototipo se emula a través de un sistema de bajo costo, como un Arduino, le daría al estudiante la facilidad de contar con la disponibilidad, sin esperar los turnos de laboratorio.

Como componente adicional se propone también usar un sistema de bajo costo, que puede ser también un Arduino, que permita remplazar una tarjeta de adquisición de datos o el controlador; en ese sentido el estudiante debería contar con 2 sistemas Arduino, uno para emular el sistema de prueba y otro para realizar el control. El sistema que realiza el control puede ser un sistema con un control embebido o un computador que usa el segundo sistema como tarjeta de adquisición de datos.

Esta estrategia se viene usando en la enseñanza del curso Sistemas de Control Automático del programa de ingeniería electrónica, en los cuales se desarrollan 7 laboratorios. En el primer laboratorio se enseña como emular sistemas en una tarjeta Arduino y como usar un Arduino como tarjeta de adquisición de datos. Luego, en cuatro laboratorios se diseñan e implementan estrategias de control las cuales son: PID, compensadores en adelanto y atraso, control RST y control en variables de estado con observador; estos laboratorios son desarrollados sobre un sistema Arduino emulado, pudiendo usar el otro Arduino como tarjeta de adquisición o usando las tarjetas de adquisición disponibles en el laboratorio. En los dos laboratorios restantes se hacen pruebas sobre sistemas prototipo presentes en el laboratorio o elaborados por los estudiantes, donde se aplica cualquiera de las técnicas ensayadas en emulación.

Si bien no se utiliza la emulación en todos los laboratorios, ya que se quiere que también tengan la experiencia de controlar un prototipo, dicha emulación permite que los estudiantes tengan una mayor flexibilidad en los laboratorios correspondientes, además de permitir que el profesor asigne diferentes sistemas a controlar a cada estudiante, evitando posibles copias de las soluciones presentadas y un mayor compromiso de parte de los estudiantes.