Resolución en tiempo real de mecanismos con CompactRIO

«La plataforma CompactRIO permite una integración máxima entre sensórica y modelos de analíticos para una óptima monitorización del estado y caracterización paramétrica de sistemas mecánicos y mecátrónicos.»

Caracterizar dinámicamente el estado de mecanismos expuestos a cargas variables en el tiempo, utilizando para ello parámetros medidos mediante instrumentación real y datos analíticos del modelo del mecanismo para la resolución del sistema de ecuaciones del problema dinámico en tiempo real.

Utilizar NI CompactRIO como plataforma trabajando en tiempo real, adquiriendo a través de la FPGA sensores diversos que describen el estado del sistema y usando el controlador para resolver las ecuaciones del modelo dinámico con la entrada de la FPGA como variables del cálculo.

El filtrado de tipo Kalman, es una técnica de filtrado que es empleada ventajosamente para la obtención del estado (valores de posiciones velocidades y otras variables dinámicas del sistema) y parámetros (inercias, amortiguamientos rigideces, ganancias,…) de un sistema mecánico o mecatrónico. Esta técnica se basa en la utilización de un modelo del sistema que es ejecutado en tiempo real junto con las medidas de los sensores que permite la mejorar de forma drástica la calidad y cantidad de información sobre el estado y parámetros del sistema a partir de las medidas de los sensores. También permite implementar de forma óptima técnicas como la fusión de información de sensores (Sensor Fusion), o la tolerancia a fallos en estos.

En el presente desarrollo Aresse y el grupo de investigación IMAC de la Universidad Pública de Navarra han utilizado un prototipo y un modelo matemático. Utilizando filtrado de Kalman basado en el modelo, los parámetros y el estado del prototipo se determinan en el ámbito experimental utilizando diversos sensores y maniobras gestionadas mediante la plaforma CompactDAQ. Se trata de un conjunto mecánico que incluye una cadena de tracción compuesta por un motor eléctrico de régimen variable, una reductora aplicada sobre una rodadura por fricción controlada por un freno magnético y una fuerza normal regulable, todo ello montado sobre dos balancines. La posición se caracteriza mediante sensores de aceleración y encoders y las fuerzas registrando el par aplicado por el motor eléctrico y con medidas de fuerzas de enlace. Todo ello se gestiona mediante una aplicación desarrollada en LabVIEW para controlar el comportamiento de la cadena de tracción y medir la evolución de los distintos parámetros. La figura 1 describe el montaje.

Desde el punto de vista analítico se lleva a cabo una modelización del sistema mecánico. Para ello LIB3D_MEC proporciona los sistema de ecuaciones a resolver, para obtener tanto las soluciones al problema mecánico directo, es decir obtener desplazamiento, velocidad y aceleración en los distintos puntos del sistema a partir de las fuerzas aplicadas, o bien el sistema para resolver el problema mecánico inverso, es decir, calcular las fuerzas actuantes en el sistema a partir de los valores de desplazamiento, velocidad y aceleración.

También es posible exportar el modelo generado a Matlab / Simulink para trabajar con el sistema de forma gráfica tal y como se ve en la figura 2.

Mezclar las capacidades del cálculo analítico con la instrumentación supone un paso más a en el campo de la monitorización, control y caracterización de sistemas mecánicos y mecatrónicos. Con este fin Aresse y el grupo de investigación IMAC de la Universidad Pública de Navarra han trabajado conjuntamente en el desarrollo de una plataforma basada en CompactRIO que permite resolver en tiempo real el problema dinámico y determinar el estado del sistema a la vez que estimar los parámetros de su modelo basado en esta implementación utilizando filtrado de Kalman. Si bien la flexibilidad de CompactRIO permitiría arquitecturas diversas a la hora de configurar la tipología de los canales de instrumentación y módulos asociados, Se utiliza la siguiente especificación como muestra para el presente desarrollo:

• Controlador NI cRIO-9014.

• Chasis NI cRIO-9103 y tarjeta NI 9234: Lectura de un encoder y canal analógico para la lectura del par.

Sobre este plataforma se utiliza GCC para compilar el modelo exportado mediante el software LIB3D_MEC v2.0, teniendo como resultado una librería *.out (similar a las dll de Windows). La librería exportada puede incorporar el modelo y el filtro de Kalman, o únicamente el modelo del sistema, en cuyo caso el entorno LabVIEW puede utilizarse para incorporar la funcionalidad adicional deseada en la librería. LIB3D_MEC es especialmente apropiado para el desarrollo de modelos con alto grado de detalle optimizados para su ejecución en Tiempo Real. Una vez obtenida la librería *.out se transfiere a CompacRIO por medio del protocolo ftp. (ver figura 3)

Se ejecutan las librerías en paralelo con la lectura en tiempo real de la NI 9234 de las señales disponibles en el sistema real (en el caso del prototipo el par de freno la posición angulares de los balancines y el giro del motor) que se incorporan al proceso de filtrado para determinar el estado del sistema y/o sus parámetros de interés.

La plataforma CompactRIO permite una integración máxima entre sensórica y modelos de analíticos para una óptima monitorización del estado y caracterización paramétrica de sistemas mecánicos y mecátrónicos. Tanto desde el punto de vista de control como desde el punto de vista de diagnóstico la integración descrita permite conocer en tiempo real todos los parámetros necesarios para conseguir una operación de forma fiable y robusta del sistema.