Modelado orientado a objetos de laboratorios virtuales para la educación en control automático

Resumen

Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de laboratorios virtuales en el ámbito del control usando el lenguaje Modelica. Los laboratorios virtuales son herramientas docentes útiles en la enseñanza del control automático. Por otra parte, los lenguajes de modelado orientado a sujetos y sus entornos de simulación constituyen el estado del arte para la descripción y simulación de los modelos matemáticos usados en el ámbito del control. En particular, el lenguaje de modelado orientado a objetos Modelica constituye un estándar para el intercambio de modelos entre diferentes herramientas y desarrolladores. Sin embargo, ni el lenguaje Modélica, ni los entornos de simulación que soportan Modelica, tales como Dymola u OpenModelica, ofrecen capacidades para la simulación interactiva. Por tanto, la la aplicación de Modelica al desarrollo de laboratorios virtuales en el ámbito del control es un campo de investigación abierto. En esta tesis se han propuesto dos enfoques diferentes para el desarrollo de laboratorios virtuales usando el lenguaje Modelica. En primer lugar, se han propuesto las metodologías y se han desarrollado las herramientas software necesarias para el desarrollo de laboratorios virtuales combinando el uso de Modelica/Dymola, y herramientas que permiten la creación sencilla de la interfaz gráfica de usuario, como los entornos Ejs y Sysquake. En este caso, el modelo de laboratorio virtual se desarrolla mediante Modelica/Dymola, y la interfaz gráfica del laboratorio mediante Ej y Sysquake. En segundo lugar, se ha desarrollado una metodología para transformar cualquier modelo escrito en Modelica a una formulación adecuada para la simulación interactiva y se ha programado una librería en lenguaje Modelica, denominada VirtualLabBuilder, posibilita el desarrollo de los laboratorios virtuales usando sólo Modelica/Dymola. Esta librería contiene un conjunto de modelos, escritos en lenguaje Modelica, de elementos gráficos interactivos que permiten una creación sencilla de la interfaz modelo-usuario. Las metodologías propuestas y las herramientas software programadas han sido aplicadas con éxito a la adaptación de librerías existentes en lenguaje Modelica para que sean adecuadas para la simulación interactiva, tales como la librería de procesos físico-químicos JARA, y al desarrollo de un conjunto laboratorios virtuales para la educación en control de procesos. Entre los laboratorios virtuales con aplicación a la enseñanza del control que han sido desarrollados en la tesis cabe destacar los siguientes: laboratorio de un sistema de cuatro tanques, de un evaporador industrial, de un intercambiador de calor, de un reactor químico, de una casa solar y de una lavadora.