Descripción y contextualización de la asignatura

Los sistemas empotrados, constituidos habitualmente por circuitos electrónicos, uno o más procesadores e, incluso, elementos mecánicos, se desarrollan específicamente para llevar a cabo unas tareas concretas ---en contraposición a los procesadores o computadores de propósito general---, permitiendo obtener un producto final de un coste relativamente bajo.



Si se desea implementar un sistema empotrado, es preciso abordar diversos aspectos de hardware ---sensores, actuadores, procesadores, FPGAs, DSPs, etc.---, desarrollo de software, buses y comunicaciones, todos ellos contemplados y ejercitados a través de las asignaturas que conforman el programa del Máster. Pero, ¿por qué resulta necesaria la asignatura de Control en Sistemas Empotrados?



La disciplina del control automático persigue diseñar controladores que hagan evolucionar las variables de un sistema de un modo determinado, es decir, que hagan "responder" al sistema tal y como se necesita. Un ejemplo de controlador es el sistema de frenado ABS de un vehículo, cuya misión consiste en impedir el bloqueo de las ruedas al producirse un frenado abrupto y, en consecuencia, evitar el deslizamiento del vehículo sin control por parte del o de la conductora.



El controlador descrito en el ejemplo forma parte de un sistema empotrado que precisa de varios componentes, estudiados en mayor profundidad en otras asignaturas del Máster estrechamente ligadas a esta; a saber:



- Procesador, FPGA o DSP: Se trata del soporte digital en el que se implementa el algoritmo de control ABS ---Microcontroladores y Diseño con Microcontroladores, Procesado Digital de Señal y Hardware para DSP, Diseño Avanzado de Sistemas Digitales (VHDL) y Codiseño de Hardware y Software---.



- Sensor: Proporciona información al algoritmo de control acerca de la velocidad de giro de las ruedas ---Sensores y Actuadores, Procesado Digital de Señal y Hardware para DSP---.



- Actuador: Actúa sobre los frenos basándose en la decisión tomada por el controlador ---Sensores y Actuadores---.



- Circuitos electrónicos: Se precisan para la correcta interconexión y funcionamiento de todo el conjunto ---Introducción a la Electrónica para Sistemas Empotrados---.



- Software: El algoritmo de control ha de plasmarse mediante programación si se implementa en un soporte digital ---Desarrollo del Software en Sistemas Empotrados---.



- Buses y comunicaciones: Se necesitan para la comunicación e intercambio de datos entre los diferentes dispositivos que conforman el sistema empotrado o, incluso, con otros dispositivos externos ---Buses y Comunicaciones en Sistemas Empotrados---.



El objetivo de la disciplina del control consiste, fundamentalmente, en diseñar el algoritmo o ley de control ---el "cerebro"---, que posteriormente se implementará en el soporte digital seleccionado, para conseguir el comportamiento deseado ---en este caso, que las ruedas no deslicen al frenar bruscamente---. Puesto que el controlador resultante precisa de la información continua de la velocidad de giro de las ruedas, proporcionada por sensores, se suele denominar al sistema de control como de lazo cerrado. Si no existe el elemento de decisión ---el controlador---, por muchos dispositivos que se interconecten el resultado no será el requerido.



Por tanto, si el sistema empotrado proyectado es de lazo cerrado, será preciso diseñar el controlador adecuado, previo a su implementación en cualquiera que sea su soporte. Es en este caso cuando se genera la necesidad de disponer de unos conocimientos mínimos en el ámbito del control. En la asignatura que nos ocupa, se pretende dotar al alumnado de los conceptos y herramientas para el diseño e implementación de los controladores más ampliamente utilizados en la industria: los de tipo PID.



El alumnado que confluye en el Máster puede presentar diferentes perfiles en cuanto a formación, y, por consiguiente, puede darse el caso de que nunca se haya cursado una asignatura relacionada con el control. Es por ello que Control en Sistemas Empotrados plantea también conceptos básicos e imprescindibles tales como: respuesta temporal de 1er y 2º órdenes, respuesta frecuencial ---diagrama de Bode---, estabilidad absoluta/relativa y dominancia. Dichos conceptos constituyen los cimientos sobre los que se diseñarán los controladores.



Con el propósito de verificar, paso a paso y de principio a fin, la corrección del proceso de diseño e implementación de un controlador, se empleará la metodología denominada Diseño Basado en Modelos (MBD), utilizada en áreas de la ingeniería tan exigentes como la automoción o la industria aeroespacial.



En lo concerniente al ejercicio profesional, el contenido de la asignatura es de aplicación en un amplio espectro de áreas temáticas, como las ya citadas automoción o industria aeroespacial, además de energías renovables, distribución de energía, robótica, transporte; en definitiva, allá donde sea necesario controlar de forma automática cualquier variable.

Resultados del aprendizaje de la asignatura

Por lo que a los resultados del aprendizaje respecta, se pretende que, tras cursar Control en Sistemas Empotrados, el alumnado sea capaz de:



RA-CSE1: Seleccionar la variante del controlador de tipo PID más adecuada para cada aplicación y sintonizar sus parámetros, mediante técnicas tanto analíticas como empíricas, para lograr un óptimo funcionamiento del mismo.



RA-CSE2: Solucionar los problemas de carácter práctico más frecuentes a la hora de implementar dichos controladores, con el fin de garantizar su correcto funcionamiento bajo condiciones reales.



RA-CSE3: Valorar aspectos prácticos fundamentales a contemplar para materializar los controladores digitales diseñados en soportes tales como microcontroladores y DSPs.



RA-CSE4: Validar el diseño y la implementación de controladores digitales siguiendo la metodología de Diseño Basado en Modelos o “Model-Based Design” (MBD).

Convocatoria ordinaria: orientaciones y renuncia

Las pruebas en las que se basará la evaluación de la asignatura serán las siguientes:



- Prueba de conocimientos básicos: máximo 5 puntos (50 % de la calificación final). Consta de no más de 10 ejercicios y cuestiones (muy) breves.

- Prueba oral en la que se expone la resolución de la práctica de aprendizaje autónomo y se debate acerca de la misma con el profesorado: máximo 5 puntos (50 % de la calificación final).



Es preciso aprobar ambas pruebas para superar la asignatura, habiendo al menos de obtenerse la mitad de la puntuación total asociada a cualquier prueba para aprobarla. En el caso de superarse únicamente una de los dos pruebas de evaluación, si la o el estudiante así lo desea, la calificación

obtenida en la parte superada en la convocatoria ordinaria se conserva para la convocatoria extraordinaria. Además, la calificación final obtenida en tal caso es, como máximo, de 4 puntos sobre 10 (Suspenso).



No presentarse a ninguna de las dos pruebas supone la renuncia a la convocatoria de evaluación y consta en el acta como "No presentada/o".

Convocatoria extraordinaria: orientaciones y renuncia

Las pruebas en las que se basará la evaluación de la asignatura serán las siguientes:



- Prueba de conocimientos básicos: máximo 5 puntos (50 % de la calificación final). Consta de no más de 10 ejercicios y cuestiones (muy) breves.

- Prueba oral en la que se expone la resolución de la práctica de aprendizaje autónomo y se debate acerca de la misma con el profesorado: máximo 5 puntos (50 % de la calificación final).



Análogamente al caso de la convocatoria ordinaria, es también preciso aprobar ambas pruebas para superar la asignatura en la convocatoria extraordinaria. En el caso de superar solamente una de los dos pruebas, la calificación otorgada es, como máximo, de 4 puntos sobre 10 (Suspenso).



No presentarse a ninguna de las dos pruebas supone la renuncia a la convocatoria de evaluación y consta en el acta como "No presentada/o".

Temario

TEMARIO TEÓRICO



Tema 1: Control PID: Generalidades

Introducción: Lazo abierto/cerrado. Fases de diseño de sistemas en lazo cerrado. Modelado. Transformada de Laplace. Función de transferencia. Plano complejo s: Estabilidad. Función de transferencia de lazo cerrado. Sistemas de 1er orden. Sistemas de 2º orden. Sistemas de orden superior. Acciones básicas de control. Algoritmos de control. Estructuras de control PID.



Tema 2: Sintonía analítica de controladores de tipo PID

Identificación experimental, en lazo abierto, de sistemas asimilables a 1er orden y 2º orden subamortiguado. Sintonía analítica, por asignación de polos y ceros, de controladores de tipo PID para los mismos, así como para un caso particular de sistema inestable.



Tema 3: Aspectos prácticos del control PID

Factor de peso de la consigna en la acción proporcional. Filtro y "kick" derivativos. "Wind-up" integral.



Tema 4: Implementación digital de controladores PID

Método de digitalización basado en la aproximación trapezoidal de Tustin. Ecuaciones en diferencias. "Ringing" derivativo. Pautas para la selección del período de muestreo. Métodos de implementación paralela y directa de algoritmos de tipo PID. Anti-"wind-up" digital. Pseudocódigos para implementación de algoritmos de tipo PID en soporte digital.



Tema 5: Sintonía empírica de controladores PID

Introducción: Ajuste de controladores por el método de prueba y error. Sintonía basada en reglas. Estimación de las características del proceso: Método de la curva de reacción; Método de la respuesta en frecuencia. Criterios temporales de sintonía: Fórmulas de Ziegler y Nichols; de Cohen y Coon; de Chien, Hrones y Reswick. Criterios frecuenciales de sintonía: Fórmulas de Ziegler y Nichols; Identificación frecuencial por el método del relé y fórmulas de Åström y Hägglund. Criterios integrales del error: Fórmulas de sintonía de López, Murrill y Smith; de Rovira, Murrill y Smith. Sintonía sobre la base de la región de robustez del lazo: Método AMIGO.



Tema 6: Metodología Model-Based Design (MBD) para la implementación de sistemas de control empotrado

En este tema se presenta una metodología, basada en modelos, que guía de principio a fin el proceso de diseño e implementación de controladores ---sobre un soporte digital y mediante generación automática de código---. Está

estrechamente ligado al proyecto que se lleva a cabo durante las sesiones prácticas de laboratorio, y se desarrolla en paralelo a los temas precedentes. Se tratan las etapas para el diseño e implementación de sistemas de control empotrado que siguen:

- Diseño MBD: Establecimiento de las especificaciones, modelado/identificación y validación de la planta a controlar, síntesis del controlador y validación mediante simulación ---"Model-in-the-Loop" (MIL)--- y prototipado rápido ---"Rapid Control Prototyping" (RCP)---.

- Implementación MBD: "Software-in-the-Loop" (SIL), "Processor-in-the-Loop" (PIL) y "Hardware-in-the-Loop" (HIL). Evaluación de sistemas de control empotrado sobre prototipos físicos.



TEMARIO PRÁCTICO



Proyecto: Control de velocidad de un servomotor comercial de corriente continua siguiendo la metodología MBD

El contenido práctico de la asignatura se materializa mediante un proyecto en el laboratorio, cuyo objetivo consiste en controlar la velocidad angular de un servomotor de corriente continua. El Tema 6 presenta una metodología a seguir

en la práctica para el diseño e implementación de controladores y, por lo tanto, se expone apoyándose en este proyecto, cuyas fases se detallan a continuación:

- Diseño: Caracterización del sensor. Identificación experimental de la planta a controlar. Establecimiento razonado de especificaciones para lazo cerrado. Síntesis, simulación y RCP del controlador: sintonía del controlador por asignación de polos y ceros y sintonía analítica del mismo en el ámbito de la frecuencia.

- Implementación y validación del controlador de velocidad en microcontrolador mediante generación automática de código, SIL, PIL, HIL y evaluación sobre prototipo físico del servomotor de corriente continua.



PRÁCTICA DE APRENDIZAJE AUTÓNOMO



Diseño, Model-in-the-Loop (MIL) y Rapid Control Prototyping (RCP) de un servosistema de posicionado basado en un motor de corriente continua

La práctica de aprendizaje autónomo propuesta se realizará en grupos de 2 personas. Además de considerar los aspectos trabajados en la asignatura, el alumnado deberá recabar, analizar y aplicar nueva información, siguiendo la metodología MBD para el diseño e implementación de controladores, con el fin de solucionar el problema de posicionado del eje de un motor de corriente continua. Como guía de este proceso de aprendizaje autónomo, se facilita al alumnado tanto un guión que detalla los pasos a seguir, como una referencia bibliográfica ---artículo técnico--- que puede resultarle de gran utilidad.

Bibliografía

Materiales de uso obligatorio

Plataforma eGela:







- Diapositivas y manuscritos utilizados en clase



- Ejemplos prácticos ---scripts de MATLAB, modelos de Simulink...---



- Documentación complementaria ---artículos científicos, manuales, enlaces...---

Bibliografía básica

S. DORMIDO y F. MORILLA, Curso de Controladores PID: Fundamentos, Sintonía y Autosintonía. Madrid, España: Universidad Nacional de Educación a Distancia, 2000.



K. J. ÅSTRÖM y T. HÄGGLUND, Control PID Avanzado. Madrid, España: Pearson Educación, 2009.



K. OGATA, Ingeniería de Control Moderna (5ª Ed.). Madrid, España: Pearson Educación, 2010.





ARTÍCULOS PARA LECTURA PERSONAL



A. SUSPERREGUI, G. TAPIA, and A. TAPIA, "Application of two alternative sliding-mode control approaches for DC servomotor position tracking," IET Electric Power Applications, vol. 1, no. 4, pp. 611–621, Jul. 2007.

Bibliografía de profundización

K. J. ÅSTRÖM and T. HÄGGLUND, PID Controllers: Theory, Design and Tuning. North Carolina, USA: ISA, The International Society for Measurement and Control, 1995.







D. IBRAHIM, Microcontroller Based Applied Digital Control. Chichester, West Sussex, UK: John Wiley & Sons Ltd., 2006.







R. C. DORF and R. H. BISHOP, Modern Control Systems. Upper Saddle River, New Jersey, USA: Prentice Hall, 2008.











ARTÍCULOS PARA LECTURA PERSONAL







G. TAPIA, A. TAPIA, and J. X. OSTOLAZA, "Two alternative modeling approaches for the evaluation of wind farm active and reactive power performances," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 21, no. 4, pp. 909–920, Dec. 2006.







G. TAPIA, A. TAPIA, and J. X. OSTOLAZA, "Proportional-integral regulator-based approach to wind farm reactive power management for secondary voltage control," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22, no. 2, pp. 488–498, Jun. 2007.

Revistas

- International Journal of Electrical Engineering Education







- IEEE Transactions on Education







- IEEE Control Systems Magazine

Enlaces

- Material utilizado durante el curso: egela.ehu.eus







- Acceso a artículos de IEEE e IET: www.ieeexplore.ieee.org







- Control Engineering, "Case studies," 2019. [En línea]. Disponible en: https://www.controleng.com/case-studies. [Accedido: 28-06-2022]







- Carnegie Mellon and University of Michigan, "Control tutorials for MATLAB & Simulink. PID," 2019. [En línea]. Disponible en: http://ctms.engin.umich.edu/CTMS. [Accedido: 28-06-2022]