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Ficha Proyecto I.E. 2009-2010



Coordinador(a): LUIS DAVILA GOMEZ
Centro: E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL
Nivel:
Código:
... memoria no disponible
Línea:
Palabras clave:
  • Aprendizaje Activo
  • Elaboracion material docente
  • Material Multimedia
  • Simuladores/Laboratorios virtuales
  • Uso de TIC
Miembros de la comunidad UPM que lo componen
Nombre y apellidos Centro Plaza *
Sara López Ferre E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR E.U.
FEDERICO JAVIER MUÑOZ CANO E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR UNIVERS. INTERINO
PEDRO LUIS CASTEDO CEPEDA E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR E.U.
CECILIA ELISABET GARCIA CENA E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR UNIVERS. INTERINO
Diego Rodríguez - Losada Gozález E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR UNIVERS. INTERINO
PABLO SAN SEGUNDO CARRILLO E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR UNIVERS. INTERINO
Carmen Santos Guerrero E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR E.U.
Beatriz Conesa Pozas E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL PROFESOR ASOCIADO
MIGUEL HERNANDO GUTIERREZ E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL PRF.AYUD.DOCTOR
ROBERTO GONZALEZ HERRANZ E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR E.U.
LUIS DAVILA GOMEZ E.T.S. DE INGENIERÍA Y DISEÑO INDUSTRIAL TITULAR E.U.
* La plaza que se muestra corresponde a la ocupada en el momento de la convocatoria
(para PDI/PAS de la UPM, en el resto de casos no se especifica).
Lineas de trabajo principales en las que incide
Línea 3. Mejora del proceso educativo a nivel de asignaturas de grado y postgrado
- Desarrollo de material docente para la Red
- Cambio metodológico orientado al aprendizaje y evaluación de competencias generales, complementarias a las competencias específicas de la asignatura
Descripción del desarrollo y las fases
RESUMEN DEL PROYECTO

Este proyecto propone el uso del ordenador para la realización de prácticas en asignaturas donde no es un elemento usual. Esto conlleva un cambio de metodología docente dirigida hacia un modelo de enseñanza basada en el aprendizaje y la participación activa de los alumnos. Se pretende, así mismo, motivarlos con este cambio, fomentar la planificación, la organización y aprendizaje autónomo de estos alumnos.

Las acciones a desarrollar están enmarcadas en distintas asignaturas del área de Electrónica y Automática del Plan de Estudios de la especialidad en Electrónica Industrial, de la titulación de Ingeniería Técnica Industrial, como son Electrónica Digital, Generación de energía: Dispositivos fotovoltaicos y termoeléctricos, Automatización Industrial y Regulación Automática, en las que las prácticas son parte fundamental de la formación del alumno.

A continuación se presentan dichas acciones:

 

  •  Prácticas asistidas por ordenador aplicadas a la docencia de la Electrónica Digital

Esta acción se inició hace varios años con la realización de trabajos previos, detallados ya en la solicitud del Grupo de Innovación Educativa el pasado año. En la actualidad, una vez realizadas las pruebas de funcionamiento sobre el prototipo desarrollado a partir de dichos trabajos, ya se ha desarrollado un equipo operativo y se está trabajando en la realización de una serie para dotar a un laboratorio de 8 puestos de trabajo de los equipos necesarios.

Para el próximo curso se pretende el desarrollo del software necesario para permitir que se puedan realizar la mitad de las prácticas previstas en la asignatura en el nuevo laboratorio asistido por ordenador, y preparar una práctica “extra” para los alumnos más aventajados. Se realizará a posteriori una evaluación del impacto de la nueva metodología en la realización de prácticas.

Es la primera experiencia que conocemos de realización de prácticas de Electrónica Digital con tutor por ordenador. La propuesta incluye el diseño y realización de un banco de trabajo que puede conectarse a un ordenador por el puerto USB, que será presentado a posibles interesados mediante una demostración en el Congreso TAEE2010 y que si goza de interés puede ser patentado y comercializado.

  • Prácticas de Sistemas Fotovoltaicos

Algunas de las actuales prácticas del laboratorio de la asignatura “Generación de energía: Dispositivos fotovoltaicos y termoeléctricos” están dedicadas al estudio de sistemas fotovoltaicos autónomos y de sus componentes: módulos fotovoltaicos, reguladores de carga, baterías e inversores. Para el próximo curso, como complemento a estas prácticas, se pretende desarrollar una herramienta de simulación de sistemas fotovoltaicos autónomos basada en un simulador de circuitos de propósito general, el PSpice, que los alumnos ya conocen de otras asignaturas de la titulación. La idea de utilizar PSpice para simular sistemas fotovoltaicos no es nueva en el ámbito investigador. Sin embargo, hasta donde nosotros sabemos, su aplicación a la docencia en este campo de la ingeniería es novedosa. Esta herramienta de simulación permitiría a los alumnos disponer de un laboratorio virtual con el que podrían, por ejemplo, preparar por adelantado las prácticas reales, repasar conceptos aprendidos en ellas, o diseñar y analizar sus propios experimentos.

 

  • Prácticas de Automatización Industrial
En esta línea se pretende implementar una herramienta software de simulación de sistemas automáticos ofreciendo un entorno gráfico interactivo. El objetivo para el próximo curso es tener un simulador gráfico para todas las prácticas de la asignatura. Así, a diferencia de cursos anteriores, los alumnos deberán programar el control de cada sistema en el simulador obteniendo una perspectiva más clara del mismo y profundizando en la máquina de estados subyacente como elemento de control. Una vez terminada esta fase, y solo entonces, se pasará a la programación del autómata. Al final del curso se realizará una evaluación del impacto de la nueva herramienta.
Si bien existen herramientas SCADA para sistemas automáticos, la herramienta propuesta tiene la ventaja de permitir la creación de sistemas a medida y evita los costes derivados de las licencias SW. Asimismo, presenta la posibilidad de que el alumno programe la máquina de estados subyacente que realiza el control del sistema, algo que no es posible en las herramientas comerciales que habitualmente necesitan de la comunicación con el autómata para su funcionamiento.
El desarrollo del simulador será en una plataforma Windows XP y empleará las librerías OpenGL para los elementos gráficos. Para su implementación se empleará el lenguaje C++.

 

  • Desarrollo de un Banco de Pruebas Maestro-Esclavo de 1 g.d.l para Regulación Automática

En esta línea se pretende diseñar y construir un banco de pruebas experimental maestro-esclavo de arquitectura abierta para la implementación de reguladores clásicos de control (P, PI, PD y PID) en entorno MatLab – Simulink para lo cual será necesaria una tarjeta de control con estas propiedades.

En un banco experimental como el que se pretende desarrollar, se podrá también implementar y validar estrategias de control de sistemas maestro-esclavo basadas en control óptimo, adaptable, robusto etc.
Este banco de pruebas experimental permitirá no sólo afianzar los conocimientos teóricos adquiridos en las diferentes asignaturas de la especialidad sino que también será posible ahondar en las técnicas y estrategias de diseño para sistemas maestros-esclavos.

 

OBJETIVOS DEL PROYECTO

 

Con este proyecto se pretende potenciar las competencias que permitan al alumno familiarizarse con nuevas herramientas para la realización de prácticas y trabajos, incrementando sus habilidades, actitudes y responsabilidades; de forma mas concreta los objetivos mas relevantes del proyecto los podemos expresar como:
  • El incremento de la motivación en el desarrollo de prácticas de Electrónica Digital, así como la mejora en el rendimiento a la hora de utilizar los recursos del Laboratorio de la asignatura.

 

  • Mejorar la capacidad de aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en área de la Automatización Industrial e incrementar los mismos para la resolución de proyectos y trabajos reales. 

 

  • Crear herramientas que pueden servir de apoyo a otras asignaturas que contengan entre sus competencias las máquinas de estados finitas, tanto desde el punto de vista teórico (Electrónica Digital) como desde el punto de vista de programación (Informática Industrial, Fundamentos de Informática).

 

JUSTIFICACION DEL PROYECTO

 

  • Prácticas asistidas por ordenador aplicadas a la docencia de la Electrónica Digital
Se va a explotar y ampliar una plataforma que permite realizar circuitos digitales y comprobar su funcionamiento mediante una interfaz interactiva con ordenador.
Esta plataforma presenta una serie de ventajas frente a la alternativa de utilizar los instrumentos típicos de laboratorio:
1. Puede representar un ahorro en instrumentación y accesorios de un mínimo de 15.000 Euros para un laboratorio de 10 puestos de trabajo, si no disponemos de puestos con ordenador. En la actualidad no realizamos prácticas con instrumental específico debido al alto coste de adquisición y aprendizaje de uso de analizadores lógicos.
2. Permite la realización de prácticas asistidas por ordenador.
3. El disponer de ordenador permite realizar otros trabajos prácticos, como simulaciones, programación en VHDL, etc.
4. El instrumento se adapta al aprendizaje y necesidades del alumno, en vez del camino inverso como es habitual.
5. Puede permitir el control desde el puesto del profesor a través de la red del avance de los alumnos de cada puesto.
6. El entorno puede personalizarse, hasta el punto de convertirse en un tutor automático.
Destacar que el alumno en ningún momento pierde el contacto con la realidad física de la Electrónica Digital, puesto que debe de montar los circuitos, la plataforma sólo mide y/o guía.
Desde que se comenzó a desarrollar esta idea han aparecido en el mercado de los productos didácticos otras plataformas de similar filosofía desarrolladas por empresas de instrumentación, pero con cometidos distintos y un coste incluso superior a la instrumentación tradicional. Por ejemplo, el sistema ELVIS de National Instruments tiene un coste superior en 2200 euros por puesto al propuesto por nosotros. Por estos motivos creemos que esta es una acción adecuada y necesaria de innovación educativa.
 
  •  Prácticas de Sistemas Fotovoltaicos

Desde el punto de vista docente, la introducción de la herramienta de simulación puede servir de ayuda para mejorar el aprovechamiento de las prácticas, ya que el alumno puede prepararlas por adelantado, comprobar in situ si los resultados coinciden con lo esperado, o repetir los experimentos de forma virtual después de las mismas.

La herramienta de simulación no pretende sustituir los experimentos reales ni el equipamiento necesario para realizarlos, pero tiene las ventajas de que permite reproducir en poco tiempo experimentos que pueden tardar horas e incluso días en llevarse a cabo o repetir un experimento bajo condiciones distintas a las del laboratorio.

 

 

  • Prácticas de Automatización Industrial
Este simulador presenta una serie de ventajas frente a las prácticas que se han venido realizando hasta el momento en la asignatura:
1. El alumno tiene a su disposición un entorno gráfico interactivo con el que comprender mejor los sistemas planteados en las prácticas, su funcionamiento y las necesidades de control existentes. La herramienta permitirá visualizar el movimiento de los diferentes elementos rígidos del sistema (i.e. émbolos) así como la ubicación de los diferentes sensores que intervienen en el mismo.
2. El alumno puede ensayar diferentes estrategias de control sobre el entorno. La programación de dichas estrategias se realizará en C, con lo que, de facto, estarán programando una máquina de estados y asimismo mejorando su conocimiento de un lenguaje de programación de propósito general.
3. Se ahorran los elevados costes de las licencias de una herramienta SCADA profesional.
Al terminar esta fase, el alumno pasará a la programación del control del sistema automático (en el autómata real a su disposición). Con el uso el simulador tendrá una mayor claridad en cuanto al funcionamiento de dicho sistema y una mejor comprensión de la estructura de control subyacente.
 

  • Desarrollo de un Banco de Pruebas Maestro-Esclavo de 1 g.d.l para Regulación Automática

El banco de pruebas experimental que se pretende diseñar tendrá una arquitectura de software y hardware abierta con lo cual el alumno podrá modelar, diseñar e implementar estrategias de control en un entorno real. Por otra parte, el sistema se podrá modelar como un sistema lineal cuyo estudio teórico se aborda en asignaturas de control de la especialidad. El banco ofrece la posibilidad de que el estudiante valide experimentalmente los modelos teóricos obtenidos.

El banco ofrece, además, la posibilidad de experimentar la reflexión de fuerza que ejerce un robot cuando entra en contacto con diferentes tipos de entornos. Esta reflexión de fuerza, vital en sistemas robóticos teleoperados, puede ser causa de inestabilidad del propio sistema. El banco permite cambiar fácilmente el entorno con el cual se interacciona y con esto, el estudiante será capaz de obtener criterios teórico y experimentales sobre la constante de reflexión de esfuerzos.

También será posible que el estudiante valore las consecuencias del retardo temporal en un sistema de control. Debido a que el banco se controla íntegramente desde Matlab, aunque también es posible controlarlo desde LabView y Visual C++, es sencillo simular un retardo de comunicación entre sistema maestro y esclavo; y con ello valorar experimentalmente las bondades de las diferentes estrategias de control implementadas cuando el sistema presenta un retardo temporal.

Tal como se dijera, se pueden desarrollar librerías adecuadas para el control del banco desde un entorno de programación bajo C++. Esto abre un gran número de posibilidades como por ejemplo realizar el control desde internet. Es decir, que podrían realizarse practicas en el banco desde un sitio remoto a través del protocolo TCP/IP.

Por último, con este diseño se realiza una introducción al alumno en un área de la robótica, como es la teleoperación, que cada día cobra mayor relevancia en diferentes campos como el social (ej. tele-asistencia), la medicina (tele-cirugías), las exploraciones submarinas (submarinos teledirigidos), las exploraciones espaciales, (la inspección de otros entornos a través de robots teleoperados), etc.

 

FASES DEL PROYECTO

 

  • Prácticas asistidas por ordenador aplicadas a la docencia de la Electrónica Digital
 

Fase 1: Desarrollo de la plataforma “hardware” por USB para las prácticas planteadas.

·        Diseño y construcción del prototipo “hardware de la plataforma.

·        Prueba del sistema.

·        Desarrollo de los programas de verificación de funcionamiento y mantenimiento de la plataforma Construcción de una serie suficiente de equipos.

Fase 2: Creación de la infraestructura necesaria para la puesta en marcha del laboratorio

·        Desarrollo de herramientas “software” para la realización de las prácticas.

·        Desarrollo de herramientas “software” para la gestión de los alumnos y de los datos recogidos.

·       Creación tutoriales en línea sobre el uso de la plataforma.

Fase 3: Incorporación a la docencia en el laboratorio.

·       Selección de grupos de prueba y de control.

·       Talleres o seminarios para la iniciación de los alumnos de los grupos de prueba en el uso de la interfaz con el sistema.

·       Sustitución de algunas de las prácticas convencionales de los grupos de prueba por prácticas de laboratorio por acceso remoto.

Fase 4: análisis de resultados

·       Tratamiento estadístico de los datos registrados.

·       Comparación de los resultados con el grupo de control.

·       Generación de informes de resultados.

·       Revisión de los resultados obtenidos y planteamiento de conclusiones, mejoras y soluciones

 
 
  • Prácticas de Sistemas Fotovoltaicos

Fase 1: Implementación de la herramienta software.

·        Recopilación de modelos teóricos de componentes para sistemas fotovoltaicos disponibles en la literatura.

·        Adaptación de los modelos teóricos al simulador PSpice mediante el diseño de circuitos eléctricos equivalentes.

·        Creación de una biblioteca para PSpice con los componentes diseñados.

·        Pruebas iniciales de la herramienta y depuración de errores.

Fase 2: Elaboración de material docente.

·       Se elaborará un manual de usuario con ejemplos de aplicación. Este manual estaría disponible, junto a la biblioteca de componentes, en la página web del departamento.

Fase 3: Incorporación de la herramienta al laboratorio.

·       Diseño de ejercicios de simulación para complementar las prácticas reales del laboratorio.

·       Instalación de la herramienta en los ordenadores del laboratorio.

·       Pruebas iniciales con los alumnos en algunas prácticas del laboratorio.

Fase 4: Evaluación.

·       Las pruebas con los alumnos servirán, por un lado, para mejorar la herramienta de simulación y, por el otro, para evaluar su impacto sobre su aprendizaje.

 
 
 
  •  Prácticas de Automatización Industrial
 

-         Instalación de la herramienta de desarrollo Visual Studio 2005 junto con la librería gráfica OpenGL para el desarrollo del simulador. Configuración del equipo de desarrollo.

-         Desarrollo de un primer prototipo de simulador software en C++. La arquitectura SW debe permitir simular diferentes sistemas con el menor esfuerzo posible. 

-         Realizar pruebas iniciales con alumnos y un primer sistema simulado

-         Simular los diferentes sistemas automatizados que se emplean en las prácticas de la asignatura.

-         Creación de documentación y tutoriales con ejemplos.

-         Obtención y publicación de resultados: Comparación con el rendimiento en años anteriores y encuesta a los alumnos para evaluar la herramienta.

 
 
 
  • Desarrollo de un Banco de Pruebas Maestro-Esclavo de 1 g.d.l para Regulación Automática
 

Desarrollo de la Arquitectura Software del banco de pruebas.

 

-         Instalación de herramientas de desarrollo: montaje mecánico del banco, electrónica e instalación de la tarjeta de control.

-         Configuración de los equipos: configuración de la tarjeta de control para ser reconocida desde MatLab y desarrollo de las librerías de C++ para su control desde este entorno.

-         Modelado Matemático del banco de pruebas: identificación de las matrices dinámicas del sistema considerando los motores e inercias presentes en el mismo.

-         Diseño de estrategias de control para el banco.

-         Desarrollo del software necesario: Implementación en Simulink del modelo matemático y de su estructura de control.

-         Pruebas iniciales: Validación de modelos y evaluación de las estrategias de control propuestas.

-         Pruebas con alumnos.

-         Prueba de despliegue y mantenimiento del sistema

-         Publicación de resultados

 

EVALUACION DE RESULTADOS

 

  • Prácticas asistidas por ordenador aplicadas a la docencia de la Electrónica Digital
-         Comprobación por el profesor de la facilidad de uso de la plataforma por parte de los alumnos.
-         Registro de los resultados de las prácticas en una base de datos para su evaluación.
-         Efectos de los aprendizajes obtenidos sobre el resultado de los Exámenes de Prácticas comparando con el grupo de control.
-         Valoración subjetiva de la eficacia de los materiales en sí.
-         Valoración estadística sobre la ampliación de conocimientos como consecuencia de las nuevas prácticas, sobre la consolidación del trabajo práctico autónomo, del fomento de su iniciativa y creatividad.
-         Valoración subjetiva de los alumnos mediante encuesta de la nueva metodología implantada.
 

  • Prácticas de Sistemas Fotovoltaicos

-         Motivación e interés de los alumnos.

-          Mejoras obtenidas en la comprensión del funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos.

-          Capacidad de los alumnos para manejar el simulador PSpice y la herramienta de simulación.

-          Valoración de los alumnos.

   

  • Prácticas de Automatización Industrial
-         Registro de los resultados de las prácticas y comparación con los resultados en prácticas anteriores.
-         Valoración subjetiva sobre la ampliación de conocimientos en relación con el control de sistemas secuenciales mediante encuesta
-         Valoración subjetiva de los alumnos acerca de la facilidad de manejo de la herramienta y el entorno gráfico mediante encuesta
 
 

  • Desarrollo de un Banco de Pruebas Maestro-Esclavo de 1 g.d.l para Regulación Automática
 

-         Motivación y participación de los alumnos en la elaboración de estrategias nuevas de control por ejemplo aquellas que introduzcan alguna pequeña no linealidad en el sistema, un retardo en las comunicaciones o un entorno de contacto diferente.

-         Mejoras en la comprensión de lo importancia de las técnica de modelado y control en un sistema de control.