Universidad Autónoma de Baja California FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Manual de Prácticas Laboratorio de Control Digital Elaboró: Revisión: Juan Jesús López García Febrero Comentarios y sugerencias: jjesuslg@uabc.mx
Universidad Autónoma de Baja California FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Control Digital Práctica No. GENERADOR DE FUNCIONES DIGITAL Objetivo: Interconectar el puerto paralelo de una computadora personal con un circuito convertidor digital analógico para generar señales analógicas. Material: - Computador compatible con IBM - Compilador C ó C++ y/o turbo ensamblador de la compañía Borland - C.I. 000 (Convertidor digital-analógico) - Resistencias de valor requerido - Tablilla para conexiones (protoboard) - Fuente de voltaje dual Introducción Aunque el puerto paralelo de una computadora se destina a la transmisión de señales digitales puede adaptarse para transmitir señal analógica proveniente de convertidores digital-analógico. Procedimiento Conecte las líneas del registro de datos del puerto paralelo, un CDA y los circuitos necesarios para lograr a la salida un voltaje entre ±0 V. La figura sugiere una posible interconexión. Escriba un programa para accesar el registro de datos del puerto paralelo de tal forma que se generen a la salida del CDA las formas de onda: cuadrada, rampa, exponencial, senoidal, y sen x x El programa deberá contar con un menú en pantalla de tal manera que se pueda elegir la forma de onda, la cual aparecerá indefinidamente hasta oprimir la tecla ESC; comprobar observando la señal de salida con el osciloscopio. Práctica. Generador de Funciones Digital
UABC Control Digital NOTA: Verifique en las hojas técnicas el funcionamiento del CDA y del amplificador operacional. Conector DB (Puerto Paralelo de la PC) 0 0 0 D D D D D D D D0 VR+ VR- DAC000 IOUT IOUT COMP VLC A Cuestionario - Indique en una tabla las especificaciones primordiales que posee el CDA que empleó. - Explique alguna forma para lograr ajustar la frecuencia de la señal de salida de tal forma que está no dependa de la velocidad del procesador. - Dibuje una posible interconexión entre el puerto paralelo y un convertidor CDA de bits. Conclusiones Práctica. Generador de Funciones Digital
Universidad Autónoma de Baja California FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Control Digital Práctica No. ADQUISICIÓN DE DATOS Objetivo: Interconectar el puerto paralelo de una computadora personal con un circuito convertidor analógico a digital para recibir señal analógica. Material: - Computador compatible con IBM - Compilador C ó C++ y/o turbo ensamblador de la compañía Borland. - C.I. HC - C.I. 000 (Convertidor digital-analógico) - Resistencias de valor requerido - Tablilla para conexiones (protoboard) - Fuente de voltaje dual Introducción Aunque el puerto paralelo de una computadora se destina a la transmisión de señales digitales puede adaptarse para recibir señal analógica proveniente de un convertidor analógico a digital. Procedimiento Conecte a las líneas del registro de estado y del registro de control del puerto paralelo, un multiplexor y un CAD y los circuitos necesarios de tal forma que acepte señal de voltaje entre ±0 V. La figura sugiere una posible interconexión. El programa deberá a su vez leer el CAD y graficar el dato en el monitor de la computadora. NOTA: Verifique en las hojas técnicas el funcionamiento del CAD y del buffer. Práctica. Adquisición de Datos
UABC Control Digital Conector DB (Puerto Paralelo de la PC) 0 0 Y A Y A Y A Y A Y A Y A Y A Y A G G 0 HC 0 D0 IN0 D IN D IN D IN D IN D IN D IN D IN A0 REF+ A REF- A 0 CLK START ALE OE EOC ADC00 0 VCC Cuestionario - Qué especificaciones posee el CAD que empleo? - Qué otro tipo de convertidores analógico-digital existen, qué ventajas presenta cada tipo? - Qué sería necesario agregar al programa graficador para convertirlo en un verdadero osciloscopio? - Indique al menos diferentes tipos de procesamiento que pudieran aplicarse a la señal analógica digitalizada. - Dibuje la interconexión necesaria entre el puerto paralelo y un convertidor CAD de bits. Conclusiones Práctica. Adquisición de Datos
Universidad Autónoma de Baja California FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Control Digital Práctica No. IDENTIFICACIÓN DE SISTEMAS Objetivo: Emplear un sistema de adquisición y generación de señal para identificar un sistema analógico. Material: - Computador compatible con IBM - Compilador C ó C++ y/o turbo ensamblador de la compañía Borland. - C.I. HC - C.I. 000 (Convertidor digital-analógico) - C.I. 00 (Convertidor analógico a digital) - Resistencias del valor requerido - Tablilla para conexiones (protoboard) - Fuente de voltaje dual Introducción Una de las herramientas más usadas para el control, es la simulación de procesos, mediante electrónica analógica y/o software (computadoras analógicas y/o digitales), pueden simularse procesos, diseñar controladores y verificar su operación antes de ser puestos en linea. Procedimiento Empleando amplificadores operacionales, simule un sistema que posea la siguiente función de transferencia: FT..= Emplee el sistema completo de adquisición y generación de señales sugerido y conecte la entrada del sistema simulado al CDA y su salida al CAD. Práctica. Identificación de Sistemas
UABC Control Digital Conector DB (Puerto Paralelo de la PC) 0 0 Y A Y A Y A Y A Y A Y A Y A Y A G G 0 HC 0 D0 IN0 D IN D IN D IN D IN D IN D IN D IN A0 REF+ A REF- A 0 CLK START ALE OE EOC ADC00 0 VCC A 0 D D D D D D D D0 VR+ VR- DAC000 IOUT IOUT COMP VLC Realice pruebas en tiempo y/o frecuencia para obtener la función de transferencia de forma práctica, utilice alguno o algunos de los métodos de análisis y parametrización conocidos: - respuesta en tiempo, - método de los momentos, - método del relevador, - mínimos cuadrados, etc. Algoritmo Identificador CDA (retenedor de orden cero) U(s) Sistema Bajo Prueba Y(s) CAD PC Determine la función de transferencia y compárela con la real que conoce de la planta. Práctica. Identificación de Sistemas
UABC Control Digital Cuestionario - Qué método es técnicamente más complicado? explique. - Qué ventajas presenta cada método sobre los otros? - Qué método da por resultado un modelo mas cercano al real? explique. - Cuáles métodos son mas sencillos de implementar de manera automática? Conclusiones Práctica. Identificación de Sistemas
Universidad Autónoma de Baja California FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Control Digital Práctica No. DISEÑO DE CONTROLADOR Objetivo: Diseño de un algoritmo de control para controlar el sistema analógico simulado. Material: - Computador compatible con IBM y sistema de envío y adquisición de señal analógica - Compilador C ó C++ y/o turbo ensamblador de la compañía Borland. - Resistencias de valor requerido - Tablilla para conexiones (protoboard) - Fuente de voltaje dual Introducción El control digital directo implica programar algoritmos de control que serán los encargados de mantener la respuesta de la planta dentro de las condiciones deseadas. Dentro de los posibles técnicas de control se encuentran las redes de atraso, adelanto, atraso-adelanto o el caso especial PID (técnicas de control clásico), o las de estado espacio en las que se requiere medir las diferentes variables que determinan el comportamiento del sistema (técnicas de control moderno) ó en su caso las técnicas desarrolladas en las ciencias computacionales como son la lógica difusa, los algoritmos genéticos y las redes neuronales. Procedimiento Emplee Matlab y dibuje el lugar geométrico de las raíces en el plano-z del sistema simulado de la práctica anterior; agregue algún tipo de controlador de manera que los polos y ceros del conjunto tenga como respuesta a la señal. (de posición, velocidad o aceleración) un error en estado estable menor al., sobrepaso menor al % y tiempo de elevación. veces menor a la constante de tiempo prevaleciente del sistema original. Programe el algoritmo de control establecido y compruebe la respuesta en el sistema. Modifique el periodo de muestreo a la mitad del establecido (T/) en su diseño y observe la respuesta, explique. Repita el procedimiento con un periodo de muestreo del doble del original (T), observe la respuesta y explique. Práctica. Diseño de Controlador
UABC Control Digital Reporte formas de onda experimentales y teóricas de: r(nt) o referencia, y(t) o salida, u(nt) o controladora y e(nt) o error. R(z) E(z) Algoritmo + - de Control e Identificación U(z) CDA U(s) Sistema Simulado Y(s) Y(z) CAD PC Cuestionario - Qué ventajas presentan los controladores clásicos sobre los de estado espacio (modernos)? - Qué ventajas presentan los controladores de estado espacio sobre los clásicos? - Que ventajas presentan los controladores clásicos y modernos sobre los basados en lógica difusa? - Que ventajas presentan los controladores basados en lógica difusa sobre los clásicos y modernos? - Qué ventajas presenta un tiempo de muestreo alto. - Qué ventajas presenta un tiempo de muestreo bajo. - Qué otras técnicas de control podrían implementarse sobre su sistema? - Explique el concepto Control Robusto. - Explique el concepto Control Inteligente. - Explique el concepto Sistemas Expertos. Conclusiones Práctica. Diseño de Controlador
Universidad Autónoma de Baja California FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Control Digital Práctica No. APLICACIÓN DE CONTROL Objetivo: Interconectar un sistema físico de utilidad práctica al sistema de adquisición de datos, determinar su modelo matemático y aplicar técnicas de diseño de controlador que mejoren su respuesta. Material: - Computador compatible con IBM - Compilador C ó C++ y/o turbo ensamblador de la compañía Borland. - Sistema de adquisición de datos - Circuitos acondicionadores de señal - Sistema a controlar (mecanismo electromecánico o de algun otro tipo) - Fuentes de voltaje - Puntas para conexiones Introducción Los sistemas de utilidad práctica (planta) requieren energía para cumplir su función, la cual es de diversa naturaleza y magnitud (voltaje, corriente, presión, flujo, etc.), y su respuesta puede ser de otra índole y/o magnitud ( C, r.p.m., Pa/m, etc.), por lo que comúnmente se requiere agregar acondicionadores de señal entre el CDA y la entrada a la planta y entre la salida de la planta y el CAD. Empleando métodos para modelado de sistemas, se determina la función de transferencia del conjunto: convertidor analógico-digital, digital-analógico, acondicionadores de señal y planta. Una vez conocido el modelo matemático que describe el comportamiento del sistema, se aplican los métodos analíticos para diseño de controladores que mejoren la respuesta del mismo a una entrada en especial (señal de posición o escalón, de velocidad o rampa, de aceleración o exponencial). Procedimiento Coloque al sistema de adquisición de señales los circuitos necesarios para acondicionar señal (sensores y/o transductores y/o circuitos de potencia) e interactuar con el sistema a controlar (el cual puede ser un motor de c.d., c.a., calefacción, refrigeración, filtrado, etc.). Aplique alguna o algunas de las técnicas de modelado usadas en la práctica anterior y determine la función de transferencia discreta del sistema para tres períodos de muestreo, preferentemente un décimo, un centésimo y un milésimo de la constante de tiempo prevaleciente del sistema original. Práctica. Aplicación de Control 0
UABC Control Digital Emplee Matlab y dibuje el lugar geométrico de las raíces en el plano-z del sistema real; agregue algún tipo de controlador de manera que los polos y ceros del conjunto tenga como respuesta a la señal. (de posición, velocidad o aceleración) un error en estado estable menor a, con sobrepaso menor al % y tiempo de elevación veces menor a la constante de tiempo prevaleciente en el sistema original. Programe el algoritmo de control establecido y compruebe la respuesta en el sistema. Reporte formas de onda experimentales y teóricas de: r(nt) o de referencia, y(t) o salida, u(nt) o controladora y e(nt) o error. R(z) + - E(z) Algoritmo de Control e Identificación U(z) CDA U(s) Acondicionador de Señal y/o de Potencia Sistema Real Y(s) PC Y(z) CAD Acondicionador de Señal sensor Cuestionario - Explique el concepto Sistema Lineal. - Explique el concepto Sistema No-Lineal. - Explique el concepto Sistema Lineal por Tramos. - Que problemas se presentaron para obtener el modelo matemático de su sistema? - Indique el error relativo entre lo respuesta esperada y la obtenida, a que lo atribuye? Conclusiones Práctica. Aplicación de Control