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://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