Materia: Control Digital De Procesos

Quinto Año

Ciclo Escolar 2003/2004

            Hrs./Semana 3

            Hrs/año 80

OBJETIVO: En esta materia el alumno aprenderá las características de operación de un microcontrolador específico así como su programación y su aplicación en la solución de diversos problemas típicos de instrumentación, monitoreo, señalización y especialmente en el control de procesos. Aprenderá también las técnicas básicas de modelado, análisis y control de procesos continuos por computadora digital.

 

Bibliografía:

 

Textos:

 

1.- Microcontroladores PIC, Diseño Práctico de Aplicaciones Tomos I y II

     José Ma. Angulo Usátegui, Ignacio Angulo Martínez

     Mc. Graw Hill, 2ª edición, 1999

 

Consulta:

 

1.- PICmicro Mid-Range MCU Family Reference Manual

    Microchip Technology Inc. 1997

2.- PIC16F87X

     Microchip Technology Inc. 1999

3.- Microprocesadores, Teoría y Práctica

     Hugo G- García Guerra

     LIMUSA-NORIEGA editores

4.- Design with microcontrollers

    John B. Peatman

    Mc. Graw Hill

5.- Computer Controlled Systems. Theory and Design

     K. J. Astrom, B. Wittenmark

     Prentice Hall

6.- Sistemas de Control en Tiempo Discreto

     K. Ogata

     Prentice Hall

7.- Control por Computadora

     Aníbal Ollero Baturone                                                      

     Edit. Alfaomega-Marcombo

8.- Notas del curso

     José Juan Rincón Pasaye

 

Direcciones de internet útiles

http://www.microchip.com

http://scfie.fie.umich.mx/~jrincon

http://www.engin.umich.edu/group/ctm/digital/digital.html

http://www.engin.umich.edu/group/ctm/examples/motor/digital/digital.html

http://members.aol.com/pidcontrol/pid_algorithm.html

http://www.expertune.com/artCE87.html

http://math.furman.edu/~dcs/book/

http://www.ntu.edu.sg/home/egbi/dspbasics/dsp/dfilt1.htm

http://www.ntu.edu.sg/home/egbi/dspbasics/dsp/dfilt14.htm

http://www.comp.mpce.mq.edu.au/courses/comp324/cn2/html

http://sungear.name.mu.oz.au/~mcg/ctrl401/bl_3/sld001.htm

 

 

Programa Sintético.

 

1.- Introducción general a los Microcontroladores                                                                                 6 Hrs.

2.- Descripción general del microcontrolador PIC16F877                                                                                  10 Hrs.

3.- Descripción detallada del PIC16F877                                                                                                         36 Hrs.

4.- Control de procesos por computadora                                                                                             20 Hrs.

Exámenes de academia                                                                                                           8 Hrs

           Total   80 Hrs.

 

Programa Desarrollado.

 

1.- Introducción general a los Microcontroladores                                                            6 Hrs.

 

1.1.- Esbozo histórico.

1.2.- Conceptos básicos: Microprocesador, microcomputadora, microcontrolador

1.3.- Memorias y tipos de memorias: RAM, ROM, EPROM, EEPROM, etc.

1.4.- Dispositivos auxiliares: Puertos paralelo, serie, temporizadores, salidas PWM, entradas analógicas.

1.5.- Herramientas de desarrollo: Entrenadores, Simuladores, emuladores, depuradores, programadores de memorias, ensambladores, compiladores.

1.6.- Arquitecturas de computadora: Arquitectura Harvard y Von Newman, Bus de datos, bus de direcciones, bus de control, arquitectura RISC y CISC.

1.7.- Aplicaciones de los microcontroladores

 

2.- Descripción general del microcontrolador PIC16F877                                                10 Hrs.

 

2.1.- La familia del PIC16F877.- Subfamilias del PIC, Variantes principales, Empaquetados, Nomenclatura,

2.2.- El oscilador y sus variantes.- Cristal externo, Oscilador interno, Calibración

2.3.- Características generales del PIC16F877

2.4.- Diagrama de bloques

2.5.- Descripción de la CPU del PIC16F877.- Ciclo de instrucción, Registros PC, W, STATUS y registro de Instrucción.

2.6.- Conjunto de instrucciones de rango medio.- Formato general de las instrucciones y su código de operación, ejemplos elementales

2.7.- Organización de la memoria

2.7.1.- Memoria de programa, Registro PC y PCLATH, paginación

2.7.2.- Memoria de stack

2.7.3.- Memoria de datos.- Bancos de memoria, Direccionamiento directo e indirecto. El registro INDF, ejemplos sencillos, El archivo de registros.

 

Primer examen parcial  (2 hrs)

 

3.- Descripción detallada del PIC16F877                                                                           36 Hrs.

 

     (en cada tema se deberán incluir ejemplos de programación)

3.1.- Los puertos paralelos de entrada/salida

3.1.1.- El puerto A, Manejo de salidas digitales

3.1.2.- El puerto A, Manejo de entradas digitales. el efecto rebote y su eliminación

3.1.3.- Rutinas de retardo por software

3.1.4.- El puerto B, Manejo de teclados matriciales sencillos

3.1.5.- El puerto C, Luces secuenciales

3.1.6.- Manejo de displays sencillos

3.2.- El convertidor analógico/digital

3.3.- El puerto de comunicación serie asíncrono

3.4.- Manejo de Interrupciones

 

Segundo Examen Parcial (2 hrs)

 

3.5.- El sistema del temporizador

     3.6.1.- El timer 0

     3.6.2.- El timer 1, El post-escalador

     3.6.3.- El timer 2

     3.6.4.- Los módulos CCP

3.6.4.1.- El modo PWM

3.6.4.2.- El modo de comparación

3.6.4.3.- El modo de captura

3.7.- El compilador PICC Lite

3.8.- Las Herramientas de desarrollo (temas de laboratorio): El simulador, El ensamblador, Introducción de estímulos, El depurador ICD

 

Tercer examen Parcial (2 hrs)

 

4.- Control de procesos por computadora                                                              20 Hrs.

 

4.1.- Introducción

4.2.- Modelos de sistemas de de control digital

4.2.1.- Control supervisorio, Control Control Digital Directo, Control Distribuído

4.2.2.- Modelos matemáticos de sistemas continuos

4.2.2.1.- Modelado entrada Salida, Fución de Transferencia

4.2.2.2.- Modelado en Ecuaciones diferenciales

4.2.2.3.- Modelado con ecuaciones de estado, Forma canónica controlador, ejemplos

4.2.3.- Modelado de la Interacción Controlador Digital-Planta continua

4.2.3.1.- El proceso de muestreo, Muestro uniforme

4.2.3.2.- Modelado de los convertidores A/D y D/A

4.2.3.3.- El retenedor de orden cero

4.2.4.- Enfoques de modelado de un sistema de control digital. El punto de vista de la computadora y el punto de vista de la planta

4.3.- Ecuaciones de diferencias. Ejemplos

     4.3.1.- Ecuaciones de diferencias lineales y no lineales

     4.3.2.- Causalidad, invariancia en el tiempo

4.4.- Operadores retardo y adelanto (q).

     4.4.1- Función transferencia de un sistema discreto usando el operador q

4.5.- Conceptos básicos de la transformada Z.

     4.5.1.- Dominio del tiempo discreto y dominio Z.

     4.5.2.- Mapeo del plano complejo S al plano complejo Z. Estabilidad de sistemas discretos

     4.5.3.- Transformación de los operadores q y q-1 bajo condiciones iniciales cero. Función transferencia en Z.

     4.5.4.- Definición de la Transformada Z para una señal discreta f(k).

4.6.- Modelo en espacio de estado discreto

4.7.- Discretización de sistemas continuos

     4.7.1.- Aproximación de Euler. Hacia delante y hacia atrás

     4.7.2.- Aproximación de Tustin

     4.7.3.- Aproximación escalón invariante (retenedor de orden cero)

4.8.- Estabilidad de sistemas discretos

     4.8.1- Polos discretos y el plano Z

     4.8.2.- Criterio de Routh modificado

            4.8.2.1- Aplicación del criterio de Routh al diseño de ganancias en lazo cerrado.

4.8.- Diseño de un sistema de control digital directo usando microcontrolador

   4.8.1.- Caso de estudio (se sugiere un control de velocidad de un motor de C. D.)

   4.8.2- Descripción general del problema

   4.8.3.- Necesidades mínimas de modelado.

   4.8.4.- Modelado del motor

   4.8.5.- El sensor y su modelado

   4.8.6.- El actuador y su modelado

   4.8.7.- Elección de la estrategia de control

   4.8.8.- Control PI

   4.8.9.- El efecto “windup” y su eliminación

   4.8.10.- Elección del periodo de muestreo y las constantes del controlador

   4.8.11.- Implementación del control

 

Cuarto Examen Parcial  (2 Hrs)

 

 

PRACTICAS DE LABORATORIO

 

Objetivo General.- El alumno desarrollará sus habilidades para el diseño e implementación de sistemas mínimos basados en microcontroladores  de MICROCHIP. Para ello desarrollará el software y hardware necesarios en pequeños proyectos de aplicación desde lo más básico como el manejo de entradas y salidas digitales, manejo de teclados y displays sencillos, hasta pequeños instrumentos de medición y finalmente integrará todo en un proyecto final que irá desarrollando paralelamente a lo largo del curso.

 

Practica #1 Introducción: Presentar el panorama general del laboratorio de control digital, presentar la propuesta de construcción de un programador/depurador de microcontroladores de bajo costo, mencionar las herramientas adicionales con que cuenta esta firma, presentar algunos de los proyectos desarrollados y algunos de los proyectos en tramite, mostrar los motivos por lo que se decide utilizar esta familia

Practica #2 Construcción de un módulo de depuración en tiempo real I para microcontroladores microchip. En esta práctica se inicia la construcción un depurador de microcontroladores en tiempo real para la familia 16F87x. Durante de todo el curso se hará uso de este depurador debido a esto se requiere de al menos uno por cada equipo.

Practica #3 Construcción de un módulo de depuración en tiempo real II para microcontroladores microchip. En esta práctica se continúa con la construcción del depurador de microcontroladores en tiempo real para la familia 16F87x (Impresión y perforación)

Practica #4 Construcción de un módulo de depuración en tiempo real III para microcontroladores microchip. En esta práctica se continúa con la construcción del depurador de microcontroladores en tiempo real para la familia 16F87x.(Armado del depurador)

Practica #5 El entorno de desarrollo de microchip MPLAB I. En esta práctica se ve el entorno de desarrollo como son los menús, los modos de operación, el soporte para los diferentes microcontroladores, el editor de texto, algunas directivas del ensamblador

Practica #6 El entorno de desarrollo de microchip MPLAB II. El simulador es una de las partes fundamentales de este ambiente de desarrollo integrado, en estas prácticas se observa el funcionamiento del simulador, la operación de las directivas el mapa de memoria de datos RAM y EEPROM, el mapa de memoria de datos FLASH, los registros de control etc.

Practica #7 El depurador/programador ICD. En esta práctica el alumno se familiarizará con el uso del depurador/programador ICD bajo el ambiente de desarrollo MPLAB.

 

EXAMEN PARCIAL I  Terminación y prueba del programador / depurador ICD

 

Practica #8 Los puertos de paralelos de salida. En esta práctica se programaran algunas de las líneas de los puertos como salidas y se conecta de manera directa alguna carga sencillas como Led’s y display’s

Practica #9 Los puertos de paralelos de entrada. El objetivo de esta práctica es comprender el funcionamiento de los puertos de entrada, en este caso se implementaran algunas líneas de entrada como teclas simples y sensores lógicos

Practica #10 Puertos de entrada-salida. Esta práctica tiene como objetivo la utilización simultanea de entradas y salidas de un puerto paralelo, en particular la conexión de un teclado matricial.

 

 

EXAMEN PARCIAL II  Puertos digitales de entrada-salida (dependiendo del proyecto se pide el avance considerando solo las entradas-salidas digitales)

 

Practica #11 Rutinas de uso general. Ejemplo Hex to Decimal, Temporización, multiplicación, división, etc.

Practica #12 El convertidor A/D. En esta práctica se describe el funcionamiento del convertidor A/D. La conexión de un sensor de temperatura a este periférico nos muestra la utilidad y facilidad de programación del mismo

Practica #13 El puerto de comunicaciones serie asíncrono. Uno de los medios más simples para la comunicación entre una PC y un microcontrolador se logra utilizando el puerto de comunicaciones serie asíncrono, esta practica describe el funcionamiento de este periférico

 

EXAMEN PARCIAL III  Comunicación serie

 

Practica #14 El TIMER0. Esta práctica describe el funcionamiento y utilización del Timer 0

Practica #15 Manejo de interrupciones con los periféricos. En esta práctica se relizarán programas en base a interrupciones y se compararán con el enfoque equivalente usando “poleo”. Se usarán las interrupciones de los periféricos, eligiendo alguna de ellas para ejemplo.

Practica #16 El compilador PICC Lite.  En esta práctica se introduce el uso de un compilador básico de lenguaje C diseñado para los microcontroladores de microchip.

             

Practica #17 El módulo CCP en modo PWM.   En esta primera práctica se implementara la configuración para la operación en el modo PWM, esta señal es utilizada para generar una señal analógica utilizando un filtro pasa bajas

Practica #18 El modulo CCP en modo Captura La segunda opción de programación del modulo CCP es en modo de captura, este modo es utilizado para la implementación de un medidor de frecuencia

 

EXAMEN PARCIAL IV  El sistema del TIMER

 

Revisión: Agosto de 2003