Revista Ingenierıa UC, Vol. 20, No. 2, Agosto 2013 52 - 59

Multimedia PID: software multimedia para el aprendizaje decontroladores y sus criterios de entonamiento.

Francisco Arteaga∗, Whendy D. Garcıa, Jose A. MorenoaDpto. de Sistemas y Automatica, Escuela de Ingenierıa Electrica, Universidad de Carabobo, Valencia, Venezuela.

Resumen.-

El software multimedia descrito en este documento esta disenado para la educacion en ingenierıa a niveluniversitario. Su objetivo es ayudar a los estudiantes a comprender, visualizar y enlazar los conceptos basicosrelacionados al area del control automatico de procesos. No es una herramienta para el diseno, es mas bien unrecurso dinamico, flexible y didactico dirigido a docentes y estudiantes para ser utilizado como recurso de apoyopara el aprendizaje del control de procesos. Para su desarrollo se utilizaron los programas: Director 7, quien seapoya para el desarrollo de las aplicaciones en el lenguaje orientado a objetos llamado Lingo; para la generacionde las animaciones se utilizo Flash y para simulaciones de los procesos, ademas de la resolucion de los problemasplanteados se utilizo Matlab con Simulink.

Palabras clave: Multimedia, Macromedia Director, Control de Procesos, Matlab.

Multimedia PID: multimedia software for learning drivers and theircriteria for tune up.

Abstract.-

The multimedia software described in this document is designed for engineering education at university level. Itsobjective is to help students to understand, visualize, and bind the basic concepts related to the area of automaticprocess control. It is not a tool for the design, is more of a dynamic, flexible, and educational resource aimed atteachers and students to be used as a resource for support for the learning of process control. For their developmentprogrammes were used: Director 7, who supports the development of applications in object-oriented languagecalled Lingo, for generating animations and Flash was used for simulations of processes in addition to solving theproblems we used Matlab Simulink.

Keywords: Multimedia, Macromedia Director, Process Control, Matlab.

Recibido: Noviembre 2012Aceptado: Abril 2013

1. Introduccion.

El control automatico de procesos juega unpapel muy importante en el area industrial. Nacepor la necesidad de generar productos cada vezmas uniformes, de mayor calidad, y en el menor

∗Autor para correspondenciaCorreo-e: Farteaga20@gmail.com (Francisco

Arteaga )

tiempo posible ya que esto representa a unmayor beneficio para la empresa (principalmenteeconomico). Su objetivo principal es mantener endeterminado valor de operacion las variables delproceso tales como: temperatura, presion, flujos,nivel, entre otros.

Otras razones para usar el control automatico deprocesos, son las siguientes:

Mantener los niveles de produccion de unaplanta en valores iguales o superiores a losestablecidos.

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Mantener la calidad del producto (composi-cion, pureza, color, etc.).

Evitar lesiones al personal de la planta o danoal equipo.

Ahorro de energıa.

Proteccion del medio ambiente.

En el ambito de la ensenanza universitaria,el dominio teorico del area de automatizacion ycontrol de procesos se convierte en algo esencialpara el buen desenvolvimiento de los futuros pro-fesionales. Para iniciar al estudiante en sus teorıasbasicas y la aplicacion de los diferentes esquemasde control automatico, es importante manejar suterminologıa y conceptos fundamentales.

Se presenta entonces una aplicacion multimediaque pretende servir de apoyo a la docencia en elarea del control automatico de procesos, siendode especial interes para aquellas personas querealicen su primera inmersion en esta area, que enla escuela de Ingenierıa Electrica de la Universidadde Carabobo se dicta con el nombre Control deProcesos. Dicha aplicacion se ha realizado deforma que cualquier usuario, o persona interesadaen el conocimiento del area de control, pueda haceruso de ella, por supuesto, teniendo conocimientos(basicos) acerca del uso de los computadores ypor otro lado para entender los contenidos debentener ciertos conocimientos previos relativos alas teorıas basicas de control. Por otra parte,esta aplicacion tambien es util para los profesoreso facilitadores de la materia, ya que podrıancomplementar sus explicaciones haciendo uso delas simulaciones, para su mejor comprension.

El objetivo que se pretende alcanzar con eldesarrollo de este software multimedia es permitiral usuario, alumno por lo general, el aprendizajede la materia de forma interactiva, utilizando paraello un entorno comodo y ameno que permitamanejar gran cantidad de informacion visual deuna manera ordenada, sin perder de vista elcaracter didactico, de forma que solo viendo lasanimaciones y simulaciones e interactuando conellas pueda hacerse una idea del funcionamiento yaplicacion de un determinado esquema de control

ası como la relacion entre las diferentes variablesde un proceso.

Para disenar esta aplicacion se analizo el mer-cado multimedia y mas en concreto el dirigidoa la formacion y la ensenanza. Se opto por elproducto ‘Director’ de la companıa Adobe. Setrata de una herramienta perfectamente valida parael desarrollo del multimedia, puesto que disponede un entorno de trabajo comodo, un lenguajede programacion de alto nivel orientado a objetos(Lingo) y permite la integracion de animaciones,sonidos, textos, graficos e imagenes en una ampliagama de formatos [1]. Para el desarrollo de lassimulaciones se utilizo el programa Flash, tambiende la companıa Adobe, y para los calculos en laresolucion de problemas se utilizo el entorno deprogramacion Matlab con Simulink.

2. Desarrollo de la investigacion.

2.1. Ensenanza multimedia.El termino multimedia resulta familiar y es

frecuente encontrar temas sobre la gama deposibilidades que ofrece en los procesos de en-senanza-aprendizaje. Multimedia es, en esencia,una tendencia de mezclar diferentes tecnologıasde difusion de informacion, impactando variossentidos a la vez para lograr un efecto mayor en lacomprension del mensaje que se desea transmitir[2]; significa capacidad para comunicarse en masde una forma a la vez. A pesar de su sencilladefinicion, la complejidad de este termino radicaen su laboriosa creacion, pues requiere del manejode diferentes herramientas tanto educativas comotecnologıas que trabajen de forma conjunta.

Una caracterıstica en comun que indican di-ferentes autores para considerar una aplicacioncomo multimedia es que esta integre por lomenos tres de estos cinco tipos de datos: Texto,graficos, imagen fija, imagen en movimiento(vıdeo – animaciones) y audio (musica, voz,sonidos, etc.), en un formato que pueda difundirsepor computadora u otros medios electronicos. Elmultimedia suele presentarse como una tecnologıade avance que, propiciado por la evolucion yexpansion de los medios electronicos viene aplantear una nueva realidad educativa, en donde

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el aprendizaje ya no se concentra exclusivamentea clases magistrales en el aula sino que involucratambien otros espacios fısicos, otros momentos(distintos al estipulado por las horas de clase) yotros medios distintos al pizarron [3].

Una aplicacion de caracter multimedia debe,ademas de manejar informacion de varios tipos,generar interactividad con el usuario. No es sufi-ciente con la presentacion lineal de la informacion,especialmente cuando se dispone de gran cantidadde imagenes y sonidos. Es necesario que unaaplicacion de este tipo capte la atencion del usuariodejando que este interactue con el sistema, deforma que sea el quien controle el camino y eltipo de informacion que se presenta. De allı surgeel concepto de multimedia interactivo. Se puededefinir como aquel en el que vıdeo, audio, in-formatica y publicaciones electronicas convergenpara proporcionar un sistema de dialogo en el quela secuenciacion y seleccion de la informacionde los distintos medios viene determinada por lasrespuestas o decisiones del usuario [4].

3. Software multimedia para el aprendizaje decontroladores.

El archivo ejecutable denominado “multime-dia PID.exe” contiene la aplicacion completa. Elmismo no requiere instalacion ni solicita ningunsoftware adicional para su ejecucion. Este puedeser almacenado en un disco compacto (CD-ROM),pendrive o similar que posea una capacidad de almenos 50 Mb de almacenamiento. Al insertarlo enla unidad lectora correspondiente el programa seejecutara automaticamente.

Los contenidos cubren los principales conceptosy procedimientos de la teorıa basica del control deprocesos. La informacion se organiza de manerajerarquizada, segun el orden de importancia yla secuencia del contenido programatico de lamateria control de procesos, aprovechando lasventajas organizativas de los hiperenlaces, mante-niendo un formato comun que se ha cuidado paraque resulte de lectura agradable y la busquedade los temas sea simple (Ver Figura 1). Seintegran elementos de navegacion para facilitarla secuencia recomendada. En la mayorıa de los

temas se incluyen animaciones interactivas comorefuerzo de las explicaciones teoricas, como porejemplo: mediante una animacion se puede hacerel seguimiento del cambio de las variables masimportantes de un determinado proceso ante uncambio en una entrada o ante una perturbacionexterna; se puede observar la reaccion de unproceso segun la configuracion del controladorPID en su forma P, PI, PD, PID, entre otros.

Figura 1: Pagina 1 del indice de Multimedia PID para elmodulo de controladores.

El software se divide en dos temas o modulosprincipales: Controladores y Entonamiento deControladores.

Cada modulo a su vez se subdivide en varioscapıtulos segun se relaciona a continuacion:

Modulo 1: Controladores.Fundamentos teoricos del control de procesos

Control por realimentacion

Accion inversa y directa de los controladores

Modos de control

El controlador. Definicion y tipos de control.Caracterısticas

Reset wind up

Filtros.

Caracterısticas mas resaltantes de los lazos decontrol.

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Izquierda Derecha

Figura 2: Accion directa del controlador de tres posiciones (Izquierda) y Control PID (Derecha).

Modulo 2: Entonamiento de Controladores.Entonamiento de controladores PID.

Definicion de un buen control

Caracterizacion de un proceso

Calculo de to y δ en una relacion de amorti-guamiento de ¼ en lazo abierto

Procedimiento para el entonamiento de uncontrolador

Criterios de ajuste de los controladores:Relacion de amortiguamiento de ¼, Metodode lazo abierto de Ziegler & Nichols paraprocesos no autorregulables, Metodo de lazoabierto de Cohen & Coon para procesosautorregulables, entre otros.

Fijacion de la constante de tiempo del proceso

Criterio de la integral

Los contenidos de estos temas han sido cuida-dosamente seleccionados de las bibliografıas masespecializadas [5, 6, 7] para luego ser estudiados,interpretados y plasmados en Multimedia PID deuna forma clara y sencilla. Es de hacer notarque Multimedia PID fue sometido a revision porparte de expertos en la materia. A continuacion semuestra un extracto de los contenidos plasmadosen el modulo 1 y 2 de Multimedia PID.

3.1. Modulo 1: Controladores.El objetivo de cualquier estrategia de control

es mantener la variable llamada controlada muycercana a un valor deseado conocido como puntode ajuste o “set-point”. Esto se logra a travesde la aplicacion de la estrategia de control masadecuada segun el proceso. Multimedia PID, des-cribe inicialmente la importancia del control deprocesos, las caracterısticas mas resaltantes delcontrol, los tipos de control, las acciones directa einversa de los controladores y las acciones clasicasde control, entre otros. En la Figura 2 se puedeobservar una de las paginas que describen lascaracterısticas del control de tres posiciones, tantopara la accion directa como para la accion inversadel mismo ası como el diagrama de bloques yexplicacion del control PID estandar.

Al detallar cada accion de control, se resumenlas caracterısticas mas importantes de los contro-ladores y posteriormente se presenta un resumende las respuestas de los modos de control m(t)ante entradas e(t) tipo escalon, pulso o rampa (verFigura 3).

3.2. Modulo 2: Entonamiento de Controladores.Ajustar o entonar un controlador significa asig-

nar valores precisos a sus parametros con el finobtener la respuesta deseada del lazo cerrado;este ajuste tambien depende de las caracterısticasdinamicas de los otros elementos del circuito decontrol y del proceso.

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Figura 3: Escenario interactivo que muestra las respuestas a los diferentes modos de control.

Un controlador se puede entonar midiendociertas caracterısticas del lazo de control. Lastecnicas usadas para estas mediciones inicialesson determinantes ya que son las bases para elposterior entonamiento del controlador.

El principio basico del entonamiento es fijar eltiempo y cantidad de parametros en el controladorde manera que se acoplen con el tiempo y cantidadde parametros del proceso, con esto se logra unbuen control.

Uno de los modelos mas usado para caracterizarun proceso es el de primer orden mas tiempomuerto:

G (s) =Ke−T0 s

τs + 1(1)

Donde:To= Tiempo muerto.K = Ganancia del proceso. (Incluye el compor-

tamiento dinamico de la Valvula y del sensor /transmisor).τ = Constante de tiempo del proceso.Los metodos que se explican para entonar un

controlador estan basados en este modelo deprimer orden del proceso. La dificultad consisteen obtener los valores de estos parametros para undeterminado proceso.

Los parametros para un proceso en particularse consiguen a traves de pruebas dinamicasen el sistema real o mediante simulacion encomputadora. El tiempo muerto To y la constantede tiempo τ se pueden encontrar al menos

mediante tres metodos, de los cuales resultandiferentes valores. La respuesta obtenida con cadauno de los metodos, debe coincidir con la curvade reaccion del proceso en regimen permanente.A continuacion, en la Figura 4, se observa unejemplo de calculo de To y τ en una relacionde amortiguamiento de ¼ en un sistema de lazoabierto.

Al obtener el modelo del proceso, se procede aefectuar el calculo de los parametros del controla-dor. En general, el procedimiento para entonar uncontrolador debe seguir los siguientes pasos:

Obtener los parametros (K, Ti, y Td) median-te alguno de los metodos que se explicaranposteriormente.

Comprobar si los valores obtenidos se puedenaplicar.

Recalcular los Parametros en caso de haberresultado no aplicables.

Introducir los parametros al controlador(ajustarlo).

En el siguiente ejemplo (Ver Figura 5) sebusca controlar la temperatura en la columna dedestilacion en 100 ºF, minimizar la respuesta en eltiempo el sobrepico.

Se observara como reacciona el proceso antedistintas estrategias de control. Con esto se preten-de mostrar que no es suficiente el realizar un buen

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Figura 4: Ejemplo de calculo, a traves de tres metodos, de To y τ en una relacion de amortiguamiento de 1/4 para un sistemade lazo abierto.

ajuste sino tambien se debe emplear el controladorcon el modo de control adecuado.

Se observa que la respuesta obtenida con elcontrol PID resulta optima. Se ha obtenido unarespuesta rapida sin sobrepico y que converge enel valor deseado (100 ºF). Los parametros de ento-namiento con los que se obtiene la mejor respuesta

son los siguientes Kc = 350, Ti = 1,17 min. yTd = 1,143 min.

Multimedia PID cuenta ademas con un conjuntode ejercicios resueltos y problemas propuestospara la fase de autoevaluacion. En la Figura 6se puede observar el enunciado de dos problemasy las casillas correspondientes para seleccion del

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Figura 5: Ejemplo de ajuste de los parametros Kc, Ti y Td para un proceso de control de temperatura en una columna dedestilacion.

resultado para cada uno. Una vez seleccionadala respuesta se activa el boton de respuestarespectivo y aparecera a continuacion si la opcionseleccionada es correcta o no. Adicionalmenteaparece el procedimiento o explicacion de laresolucion del problema y para motivar al usuario,en el caso de haber acertado, se emite un sonidoagradable que se relaciona con el exito en larespuesta.

Beneficios del Software

Mediante el presente software multimedia secontribuye a generar un progreso individual delusuario debido a que el aprendizaje puede sercontinuo, eficiente y de calidad elevada. Puede serindependiente del tiempo y el espacio. Permite laconexion intertextual ya que entre cada segmentode material existen enlaces o conexiones que pue-den ser recorridas voluntariamente, esto posibilita

la flexibilidad de uso. Ademas de flexible esinteractivo con el usuario, ya que permite secuen-cias variadas de estudio y diversas alternativas detrabajo. Fomenta la iniciativa y el autoaprendizajey Potencia el desarrollo cognitivo.

4. CONCLUSIONES

Multimedia PID es una herramienta didacticaque busca servir como apoyo al docente durante lasclases de la teorıa del control de procesos, puedepermitir al alumno utilizar un entorno ameno yamigable para facilitar el aprendizaje de la materia,ademas de ayudar a aprovechar al maximo eltiempo de estudio y tener en un solo dispositivode almacenamiento de informacion digital (CD-ROM, DVD o Pendrive), la informacion necesariapara el seguimiento de los contenidos programati-cos.

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(a) (b)

Figura 6: Escenario interactivo que muestra problemas de seleccion multiple y sus respuestas.

Multimedia PID ademas puede favorecer losprocesos de ensenanza y aprendizaje al aplicarlotanto en entornos grupales como individuales,ayudando a proporcionar informacion adicional ala vista en clase, avivar el interes en la mate-ria, mantener una continua actividad intelectual,orientar aprendizajes, proponer aprendizajes apartir de los errores, facilitar la evaluacion y elcontrol, entre otros aportes. Cabe resaltar que losproductos multimedia, sin ser sustitutos de losmedios tradicionales en lo que a ensenanza serefiere, pueden tener un lugar importante en losprogramas educativos que existen.

Referencias

[1] Daniel, De-Leon Luz. Director 7.x / Lingo. EditorialMc Graw Hill, Madrid (2000).

[2] Salinas J. (1996). Multimedia en los procesos de en-senanza - aprendizaje: Elementos de discusion. Ponen-cia en el Encuentro de Computacion Educativa. Santia-go de Chile, 2-4 mayo. http://tecnologiaedu.us.es/nweb/htm/pdf/gte20.pdf.

[3] N. G. Hernandez; O. Socorro (2008). SoftwareMultimedia Para El Aprendizaje De ElectronicaDigital. Ponencia en el congreso. Universidad de lasPalmas de Gran Canarias. Espana, 3 de julio de 2008.http://e-spacio.uned.es/fez/eserv.php?

pid=taee:congreso-2008-1096&dsID=SD106.

pdf .[4] Smith, C; Corripio, A. Control Automatico de Proce-

sos. Noriega Editores. Mexico, 1994.[5] Shinskey, F. Process Control Systems. Aplication,

Designing and Tunung. Tercera Edicion. McGraw-Hill.Estados Unidos de America, 1988.

[6] Stephanopoulos, G. Chemical Process Control. AnIntroduction to Theory and Practice. P.T.R. PrenticeHall, Estados Unidos de America, 1984.

[7] Gutierrez, L. Apuntes de clases: Control de Procesos.Universidad de Carabobo.1999.

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