Unidad III-ICI-Tema10-Scada

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Editorial Simulink es una herramienta interactiva para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Nos permite construir diagramas de bloque gráficos, evaluar el rendimiento del sistema y refinar sus diseños. Simulink está firmemente integrado con Stateflow para modelar comportamiento even-driven. Simulink es la herramienta a escoger para el diseño de sistemas de control, diseños DSP, diseños de sistemas de comunicaciones y otras aplicaciones de simulación. Como una extensión de Matlab, Simulink adiciona muchas características específicas a los sistemas dinámicos, EDICIÓN SCADA PORTADA Doriannys, Campos DIRECCIÓN Y COORDINACIÓN EDITORIAL Equipo Scada Doriannys, Campos Hebert, Velasco RIF: J-18826305-0 I.S.B.N: 84-1914-868-7 DIRECTOR DE INFORMACIÓN Y OPINIÓN Hebert, Velasco REDACCIÓN Doriannys, Campos DISEÑO Y DIAGRAMACIÓN Doriannys, Campos EQUIPO SCADA Universidad de Oriente DIRECCIÓN: Sede Los GuaritosAv. Universidad-UDO MONAGASNª (0424)9653188/(0424)9152320. Email:dcaraguayan@gmail.com Hebert_david89@hotmail.com

Contenido Introducción Pág. 3 Definiciones Básicas Matlab Pág.4 Usos y aplicaciones de matlab Pág.4 Simulink Pág. 5 Características principales de simulink Pág. 6 Creación de un modelo en simulink Pág. 7 Principales librerías de simulink Pág. 9 Programa Interfaz de Aplicación de MatLab en un ambiente gráfico de programación denominado Simulink Pág. 9 Ambiente grafico de simulink Pág.10 Uso de simulink en controladores Pág. 11 CONCLUSIÓN Pág. 14 BIBLIOGRAFIA Pág. 15

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Introducción

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a teoría de control pretende resolver la regulación de los sistemas reales, para ello es fundamental plantear modelos y construir controladores. Dichos modelos y controladores deben ser validados para comprobar su comportamiento antes de plantear una implementación real. Esta validación se realiza mediante simulaciones para diferentes condiciones, es por ello necesario tener claro que significa simular en este campo. Simular sistemas es resolver las ecuaciones que modelan sistemas y controladores durante un periodo de tiempo y para unas condiciones determinadas. Utilizar una buena herramienta de simulación es importante para obtener resultados de una forma fácil y rápida. Se presentará el software simulink que es una herramienta que se utiliza por un gran número de colectivos para realizar tareas de simulación de modelos y controladores avanzados. El programa simulink presenta ventajas frente a otros programas matemáticos que podrían ser también utilizados para resolver las ecuaciones de los sistemas, tales como un entorno interactivo y un conjunto de librerías con entorno personalizables que permiten simular, implementar y probar una serie de sistemas variables con el tiempo. Además simulink está integrado en MatLab y por ello es posible tener acceso a una amplia gama de herramientas que permiten desarrollar algoritmos, analizar y visualizar simulaciones.

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MATLAB Para hablar de Simulink, es necesario primero definir Matlab. Matlab es un programa de gran aceptación en ingeniería destinado realizar cálculos técnicos científicos y de propósito general. En él se integran operaciones de cálculo, visualización y programación, donde la interacción con el usuario emplea una notación matemática clásica.

Los usos y aplicaciones típicos de Matlab son: Matemáticas y cálculo. Desarrollo de algoritmos. Adquisición de datos. Modelado, simulación y prototipado. Análisis y procesado de datos. Gráficos científicos y de ingeniería. Desarrollo de aplicaciones. La gestión de complementos de Matlab se realiza mediante lo que se denominan toolboxes (paquetes de herramientas). Un Toolbox de Matlab es un conjunto de funciones y algoritmos de cálculo especializados en un área de conocimiento: finanzas, tratamiento de señales, teoría de sistemas, entre otros.

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SIMULINK El programa de MathWorks para simulación (modelización y análisis) de sistemas dinámicos no lineales fue presentado en 1990, con el nombre de SIMULAB para computadoras personales y con el nombre de SIMULINK para estaciones de trabajo. Su aparición estuvo unida a la primera versión de MATLAB para Windows. Desde mayo de 1994, que está disponible la versión 1.3, SIMULINK tiene un tratamiento similar a los otros Toolboxes de MATLAB, en el sentido que se instala de forma separada, pero sigue siendo la mejor herramienta para aprovechar toda la potencia de MATLAB y de los otros "Toolboxes".

Simulink es una herramienta interactiva para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Nos permite construir diagramas de bloque gráficos, evaluar el rendimiento del sistema y refinar sus diseños. Simulink está firmemente integrado con Stateflow para modelar comportamiento evendriven. Simulink es la herramienta a escoger para el diseño de sistemas de control, diseños DSP, diseños de sistemas de comunicaciones y otras aplicaciones de simulación. Como una extensión de Matlab, Simulink adiciona muchas características específicas a los sistemas dinámicos, mientras conserva toda la funcionalidad de propósito general de Matlab. Así Simulink no es completamente un programa separado de Matlab, sino un anexo a él. El ambiente de Matlab está siempre disponible mientras se ejecuta una simulación en Simulink.

Simulink tiene dos fases de uso: La definición del modelo El análisis del modelo La definición del modelo significa construir el modelo a partir de elementos básicos construidos previamente, tal como, integradores, bloques de ganancia o servomotores. El análisis del modelo significa realizar la simulación, linealización y determinar el punto de equilibrio de un modelo previamente definido.

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Para simplificar la definición del modelo Simulink usa diferentes clases de ventanas llamadas ventanas de diagramas de bloques. En estas ventanas se puede crear y editar un modelo gráficamente usando el mouse. Simulink usa un ambiente gráfico lo que hace sencillo la creación de los modelos de sistemas. Después de definir un modelo este puede ser analizado seleccionando una opción desde los menús de Simulink o entrando comandos desde la línea de comandos de Matlab.

Esto significa que se puede modelar sistemas continuos en el tiempo, discretos en el tiempo o sistemas híbridos, usa diagramas de bloques para representar sistemas dinámicos. Mediante una interfase gráfica con el usuario se pueden arrastrar los componentes desde una librería de bloques existentes y luego interconectarlos mediante conectores y alambre.

Simulink puede simular cualquier sistema que pueda ser definido por ecuaciones diferenciales continuas y ecuaciones diferenciales discretas.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE SIMULINK

Facilidad de Uso:  Una biblioteca extensa de bloques predefinidos para construir modelos gráficos de su sistema.  El Debugger gráfico de Simulink para localizar y diagnosticar fallos en el modelo.  El Visualizador de modelos para navegar por las jerarquías del modelo.  Utilidad gráfica para buscar modelos y bibliotecas.  Bloques personalizables pueden incorporar código ya existente del usuario en C, Ada, MATLAB, y Fortran.

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Ayuda para aplicaciones más grandes:  Sistemas lineales, no lineales, tiempo continuo, tiempo discreto, multirate, ejecutados condicionalmente, e híbridos.  Los modelos pueden agruparse en jerarquías para crear una vista simplificada de los componentes o los subsistemas.  Los objetos de datos de Simulink le permiten crear tipos de datos de MATLAB específicos de la aplicación para los modelos de Simulink. 

 Simulink Explorer GUI para visualizar y editar objetos de datos de Simulink  Visualizador de la biblioteca para seleccionar los bloques en una manera conveniente.  Protección de propiedad intelectual utilizando funciones S (requiere Real-Time Workshop 4.0)  Puede ejecutar las simulaciones desde la línea de comando de MATLAB, de forma interactiva o en modo batch.

Creación de un Modelo en Simulink Para simular un sistema, se deben insertar en las ventanas de simulación los distintos componentes con los que se va a construir el modelo. Se pueden seguir los siguientes pasos:

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1. CREAR UN NUEVO MODELO: Para abrir una nueva ventana de simulación se debe pulsar el botón “nuevo modelo”. 2. BUSCAR UN BLOQUE: Se puede buscar un bloque expandiendo el árbol de la biblioteca o buscándolo directamente por su nombre en la ventana de búsqueda. En este caso, si hay más de un bloque que pueda corresponder a ese nombre, irán apareciendo a medida que se pulse la tecla “enter”. 3. SITUAR UN BLOQUE: Para situar un bloque, se mantiene pulsado el botón izquierdo del ratón sobre el icono en forma de rombo que hay junto al nombre del bloque y se arrastra hacia la posición deseada en la ventana de simulación. 4. CONECTAR BLOQUES: En cada bloque, los puntos de salida aparecen indicados mediante una flecha saliente del bloque “|>”, mientras que los puertos de entrada a cada bloque se indican con una flecha entrante al mismo “>|”. Se conecta la entrada de un bloque a la salida de otro, manteniendo pulsado el botón izquierdo del ratón mientras se arrastra desde el símbolo de entrada de uno de los bloques hasta el de salida de otro o viceversa. 5. CREAR UNA BIFURCACIÓN: Si se desea llevar la salida de un

bloque a la entrada de más de uno se necesita crear una bifurcación en la conexión. Para hacerlo, se arrastra con el ratón desde la entrada del nuevo bloque a conectar hasta la línea de la conexión que se va a bifurcar.

6. MODIFICAR LOS BLOQUES: Se pueden rotar o aplicar simetrías a los bloques usados, según convenga la colocación de entradas/salidas para el esquema que se esté realizando pulsando sobre él el botón derecho del ratón y utilizando los menús desplegables o mediante la opción “Formar” del menú principal (“Formar/Flip Block”, “Formar/Rotate Block”, etc.). también mediante los menús o haciendo doble click sobre el bloque, se pueden modificar sus parámetros. 7. INSERCIÓN DE TEXTOS: Se puede incluir un texto aclaratorio o informativo en cualquier parte de la ventana del modelo, haciendo doble click en una zona libre y escribiendo directamente el texto.

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Principales Librerías de SIMULINK

Sources (fuentes): Sirven para generar todo tipo de señales. Sinks (sumideros): Se usan como salida o para visualizar la señal. Discrete: elementos de sistemas lineales y en tiempo discreto (funciones de transferencia, diagramas de espacio-estado) Linear: elementos y conexiones para sistemas lineales y en tiempo continuo, sumadores, multiplicadores). Nonlinear: operadores saturación, retrasos).

no

lineales

(funciones

arbitrarias,

Connections: Multiplexores, Demultiplexores, etc. Además, existen una gran cantidad de Demos y de funciones complementarias.

Programa Interfaz de Aplicación de MatLab en un ambiente gráfico de programación denominado Simulink MatLab es un ambiente matemático cuyos elementos fundamentales de operación son las matrices, lo que permite su aplicación inmediata en la solución de problemas de álgebra lineal. Él incluye capacidades gráficas, un intérprete rápido y estructuras básicas de programación cuya sintaxis es similar a la de

ciertos lenguajes de programación como C, Fortran y Basic. Estas estructuras han permitido el desarrollo de herramientas, las cuales constituyen una colección de algoritmos especialmente diseñados para áreas de ingeniería como los sistemas de control, el procesamiento digital de señales, las redes neuronales, el control

robusto, entre otros. Además de estas características, MatLab posee un ambiente gráfico de programación denominado Simulink, el cual, permite el análisis y simulación de sistemas lineales y no lineales mediante un lenguaje de programación gráfica, utilizando diagramas de bloques.

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Ambiente gráfico Simulink Al realizar un modelo de un proceso implementado en simulink y ejecutar la simulación se puede observar en gráficos en función del tiempo el comportamiento de una determinada variable. Si se desea interactuar con simulink a través de otra aplicación, una opción es utilizar el protocolo DDE. Para ello MatLab puede ser un cliente o un servidor. Si MatLab es un cliente es necesario construir una caja de dialogo en simulink con funciones que puedan iniciar una conversación DDE para intercambiar datos.

Cuando MatLab es un cliente DDE dispone de las funciones siguientes: Ddeinit: Inicia una conversación DDE Ddepoke: Envía datos a una aplicación Ddereq: Requiere datos de una aplicación Ddeadv: Coloca un enlace aconsejado Ddeexec: Envía una cadena para ejecución. Ddeunadv: Libera enlace aconsejado Ddeterm: Termina una conversación DDE Estas funciones son utilizadas para componer la función que permita el enlace con Lookout y LabVIEW. De manera que Matlab será un cliente DDE. Si MatLab actúa como servidor DDE, MATLAB es el nombre del servicio y los temas son System y Engine.

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USO

DE SIMULINK EN CONTROLADORES

El inmenso poder de cálculo puesto a la disponibilidad de los diseñadores de los sistemas de control hoy en día, y la relativa amistosidad del software con el cual usualmente trabajamos, nos permite afirmar: que con pocas horas de trabajo, básicamente las requeridas para montar la simulación del proceso en cuestión, interactuando con el controlador elegido, en una plataforma tipo SIMULINK o cualquier otra de características similares, y un conocimiento a nivel de usuario del software, sobre cómo integrar las respectivas simulaciones a una estrategia de simulación, se pueden obtener ajustes óptimos a la medida del sistema de control que se esté sintonizando.

De lo que se trata es de minimizar un criterio de desempeño de naturaleza funcional, que evalúe el comportamiento, a lo largo del intervalo de control seleccionado, de las señales de error y la energía de control utilizada, que resultan de controlar el proceso, sea ante una variación en los valores de referencia para las variables controladas o perturbaciones en algunas de las variables de carga. Este problema, si bien comparte algunas características similares con el problema más general de control óptimo, por ejemplo el carácter funcional del objetivo a minimizar y la necesidad de satisfacer las ecuaciones que rigen el comportamiento dinámico del proceso controlado en su condición de principal restricción, es un problema de jerarquía inferior. En el problema de ajuste de un controlador mediante la técnica de optimización paramétrica la estructura del controlador es seleccionada de antemano, bien pudiera ser un controlador PID y las

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incógnitas pasan a ser un numero finito de parámetros definidos sobre la estructura del controlador (Kc, Tr y Td en el caso del PID), cuyos valores vienen a ser lo que se conoce, comúnmente como los ajustes del controlador. Esto es lo que permite que, a pesar de la naturaleza dinámica del problema, este pueda ser formulado en el marco de los métodos de optimización estática para funciones multivariables sin restricciones, cuya complejidad para la comprensión matemática y el repertorio de técnicas de cálculo numérico para su resolución los ubica, definitivamente en una escala inferior dentro de la pirámide cuyo vértice superior es ocupado por los métodos de optimización dinámica que son los adecuados a los efectos de resolver los problemas de control optimo. La única limitación que se le presenta a quien desee apelar esta metodología de optimización paramétrica es que pueda disponer de un modelo dinámico de su sistema, susceptible de ser representado en un ambiente de modelación con potencialidades similares a las que provee el ambiente MATLAB-SIMULINK. Y esto vale no solo para el proceso a ser controlado, sino también para la estructura del controlador a ser utilizado. Por otra parte, la principal restricción del problema es manejada de manera natural en la estrategia de solución mediante SIMULINK, por cuanto cada evaluación que se está minimizando: involucra una simulación del modelo “proceso más controlador” a lo largo de todo el intervalo de control que se considere pertinente. Cada simulación se hace con un vector de parámetros del controlador distinto, el cual va siendo variado de conformidad a la estrategia de búsqueda de los valores óptimos que es regida por el algoritmo de optimización que domina todo el proceso iterativo. Es decir la simulación pasa a ser esclava del algoritmo maestro, que bien puede ser cualquiera de los algoritmos de optimización estática multivariable sin restricciones que provee el optimization Toolbox de MatLab. Las sucesivas simulaciones cumplen el rol de ir evaluando el funcional a ser minimizado y, en cada una de tales evaluaciones se cumple, de manera absolutamente natural, con todas las ecuaciones dinámicas que modelan al proceso y al controlador (la principal restricción del problema). Otro tipo de restricciones que comúnmente surgen en la formulación de problemas de control, como lo es la limitación de salidas de los controladores a mantenerse dentro de ciertos rango predefinidos, también son incorporables de manera natural mediante la utilización de bloques de limitación dentro del modelo.

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La extensa librería de Simulink, las herramientas analíticas y su arquitectura extensible combinan perfectamente con Matlab para proporcionar un entorno de simulación ultimado. La librería de bloques proporciona centenares de funciones predefinidas para la creación de modelos de diagramas-bloque de sistemas lineales, no lineales, de tiempo discreto, tiempo continuo, híbrido, SISO, SIMO y sistemas multitarea, de forma que cada usuario pueda crear

sus

propios bloques

modificando los ya existentes o

incorporando código Matlab, C o Fortan.

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Conclusión Simulink es un paquete para utilizar con MATLAB para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Su entorno de modelado gráfico usa los familiares diagramas de bloques, de forma que los sistemas ilustrados en el texto se pueden implementar fácilmente. Su facilidad de uso y poderosa capacidad han hecho que Simulink sea la opción elegida por miles de ingenieros, profesores y estudiantes en la industria y en el mundo académico. La extensa librería de Simulink, las herramientas analíticas y su arquitectura extensible combinan perfectamente con Matlab para proporcionar un entorno de simulación ultimado. La librería de bloques proporciona centenares de funciones predefinidas para la creación de modelos de diagramas-bloque de sistemas lineales, no lineales, de tiempo discreto, tiempo continuo, híbrido, SISO, SIMO y sistemas multitarea, de forma que cada usuario pueda crear sus propios bloques modificando los ya existentes o incorporando código Matlab, C o Fortan. Las operaciones de modelado y simulación se controlan de forma interactiva mediante menús desplegables o empleando la línea de comando Matlab para simulaciones en modo batch. La librería no lineal incluye un complemento completo de componentes no lineales para modelar un comportamiento como sistema de mundo real. Los modelos Simulink múltiples y las capas establecidas de la jerarquía pueden permanecer abiertos simultáneamente, facilitando así las operaciones de edición de bloques y de corte-pegado. Los parámetros de bloque se introducen en los cuadros de dialogo como escalares, vectores, o matrices empleando ya sean valores numéricos o variables y expresiones Matlab. Para simulaciones en vivo, una variedad de bloques gráficos monitorizan la respuesta del sistema mientras avanza la simulación. Una línea gruesa identifica canales múltiples enlazados como un vector único. Las conexiones vectorizadas entre bloques son transparentes.

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Bibliografía [Página en línea](http://www.ing.ula.ve/~jesusc/labvid.htm): Programa Interfaz de Aplicación de MatLab en un ambiente gráfico de programación denominado Simulink [Página en http://servicio.bc.uc.edu.ve/ingenieria/revista/v10n3/10-3-2.pdf

línea]

USO DE SIMULINK EN CONTROLADORES RUBIO, Alicia. Manual de Simulink para la asignatura de teoría de sistemas. Escuela Superior de Ingenieros. Depto. de Ingeniería de sistemas y Automática. Universidad de Sevilla. Marzo de 2009. ARACIL, Javier. Introducción a Matlab y Simulink. 2006. Documento en línea disponible en: www.esi2.us.es/~fabio/apuntes_matlab.pdf

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Uso de Simulink en los controladores

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