control digital directo
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CONTROL DIGITAL DIRECTO.
Julio Cesar Montesdeoca Contreras, José A González R
e-mail: [email protected]: [email protected]
RESUMEN: el presente artículo expone la teoría de control moderno más conocido como Control Digital, expondremos su evolución, las ventajas sobre los sistemas de control Analógicos y sus modelos para la implementación.
PALABRAS CLAVE: Control Digital.
1 INTRODUCCIÓN
La Teoría de Control es un campo interdisciplinario de la ingeniería y las matemáticas, que trata con el comportamiento de sistemas dinámicos.
A la salida deseada de un sistema se la llama referencia. Cuando una o más variables de salida de un sistema necesitan seguir cierta referencia sobre el tiempo, un controlador manipula la entrada al sistema para obtener el efecto deseado en la salida del sistema.
El control digital directo (DDC) es el control automático de una condición o proceso por un dispositivo digital (computadora) o un microprocesador.
La utilización de un procesador digital para controlar un proceso es lo que se llama control digital directo, y es regularmente referido a control de procesos.
La tecnología digital ha evolucionado rápidamente con recursos más poderosos y más rápidos, el diseñar la estructura de sistemas de control, basándose en algoritmos digitales apropiados teniendo en cuenta las características del sistema y cumpliendo con calidad las especificaciones funcionales, el problema básico del Control Digital directo no está en el desarrollo tecnológico de los controladores digitales sino en las aplicaciones y principalmente en el conocimiento, habilidades y creatividad de quien diseñe el Sistema de Control para determinar las áreas de oportunidad.
2 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DDC
El sistema DDC compara la señal enviada al elemento final de control con la señal de entrada y determina la aceptación de la información para la acción de control. Si ésta no es aceptable se retiene la última posición del elemento final de control.
El operador es prevenido tomando el computador una acción de emergencia.
De este modo, los límites de operación del proceso pueden estrecharse con seguridad, de manera que éste puede llevarse a un punto de operación crítico sin problemas.
Fig1. Funcionamiento de un sistema DDC.
El DDC permite una transferencia automático manual sin perturbaciones y admite una fácil modificación de las acciones y de las configuraciones de los sistemas de control, lo cual es muy importante en la puesta en marcha de la planta.
El computador propiamente dicho admite tanto la información de entrada como de salida, la cual la puede almacenar en memorias auxiliares como discos duros, para posteriores procesos de reporte, además puede presentarse la información al operador por medio de impresoras, pantallas de rayos catódicos donde se puedan esquematizar los procesos.
3 APLICACIONES DE CONTROL DIGITAL.
Los algoritmos de control convencionales utilizados en control digital directo son los siguientes:
PROPORCIONAL (P) PROPORCIONAL INTEGRAL (PI) PROPORCIONAL DERIVATIVO (PD) PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID)
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4 CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL DIGITAL
Como características básicas del control digital se pueden mencionar las siguientes:
No existe límite en la complejidad del algoritmo. Cosa que sucede con los sistemas analógicos.
Facilidad de ajuste y cambio. Un cambio en un control analógico implica, en el mejor de los casos, un cambio de componentes si no un cambio del controlador completo.
Exactitud y estabilidad en el cálculo debido a que no existen derivas u otras fuentes de error.
Costo vs. Número de lazos. No siempre se justifica un control digital ya que existe un costo mínimo que lo hace inaplicable para un número reducido de variables.
Tendencia al control distribuido o jerárquico. Se ha pasado de la idea de usar un único controlador o computador para toda una planta a la de distribuir los dispositivos inteligentes por variable o grupos de estas e ir formando estructuras jerárquicas.
5 CONTROL DIGITAL VS. CONTROL ANALÓGICO.
El costo fue el principal argumento para cambiar de tecnología.
El costo de un sistema analógico se incrementaba linealmente por el número de lazos.
La comunicación con el operador cambia de forma drástica.
Flexibilidad. Los sistemas analógicos son modificados re-alambrando, los digitales reprogramando.
Los componentes digitales son más robustos, confiables y pequeños.
Los sistemas digitales presentan menor sensibilidad al ruido.
Fig2. Ejemplo de un sistema de control analógico en retroalimentación.
Fig3. Ejemplo de un sistema de control digital en retroalimentación.
En un sistema continuo las señales vienen representadas por funciones continuas. En un sistema discreto (digital) sin embargo, se representan como secuencias discretas. Esas secuencias discretas son una serie de números que provienen de tomar los valores instantáneos de señales analógicas en instantes de tiempo concretos. Es lo que se denomina muestreo. Esos instantes suelen estar espaciados simétricamente por un tiempo T que se denomina periodo de muestreo.
Fig4. Señal continua (analógica).
A cada uno de los valores se les denomina muestras y se identifican por su número de muestra k. En la figura se observa una secuencia yk = {y0, y1, y2, . . .}, que proviene de una señal analógica y(t) que se observa en la figura 2, con la relación entre muestra k e instante de tiempo kT.
Fig5. Señal muestreada (digital).
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La elección del periodo de muestreo es muy importante puesto que un valor demasiado grande hace que se pierda información cuando se muestrean señales rápidas, que en el caso de tratarse de un problema de control provendrán de sistemas rápidos.
6 ESTRUCTURA DEL CONTROL DIGITAL
En cuanto a la arquitectura de un lazo de control tiene la forma que se muestra en la siguiente figura.
Fig6. Estructura de un sistema DDC.
El proceso en la mayoría de los casos es continuo, es decir se lo debe excitar con una señal continua y genera una salida continua.
Esta señal, como en cualquier lazo de control es censada por algún dispositivo que a su vez entrega una señal continua proporcional a la magnitud medida.
Por otra parte está el computador que solo trabaja con valores discretos. Para compatibilizar ambos existen dos elementos: el conversor digital analógico (CDA) y el conversor analógico digital (CAD) que realizan la conversión de magnitudes.
7 Controladores digitales.
El desarrollo electrónico ha permitido la fabricación de controladores digitales basados en microprocesadores con todas las ventajas, por ejemplo, el ajuste del punto de consigna y las acciones PID sin tener que extraer el instrumento de su base en el panel, al auto ajuste del instrumento para acomodarse a las variaciones de régimen de carga del proceso y el autodiagnóstico del aparato.
Los controladores digitales permiten el ajuste de sus acciones de control ante las perturbaciones periódicas del proceso.
Por este motivo pueden trabajar con varios algoritmos de control P+I+D.
El algoritmo convencional, donde las acciones se influyen mutuamente, y que corresponde a los controladores clásicos neumáticos y electrónicos.Generalmente estos algoritmos de control son desarrollados por microprocesadores dedicados únicamente a esta labor.
Por otro lado, el sistema DDC compara la señal enviada al elemento final de control con la señal de entrada y determina la aceptación de la información para la acción de control. Si ésta no es aceptable se retiene la última posición del elemento final de control.
El operador es prevenido tomando el computador una acción de emergencia. De este modo, los límites de operación del proceso pueden estrecharse con seguridad, de manera que éste puede llevarse a un punto de operación crítico sin problemas.
8 PARTES DE UN SISTEMA DE CONTROL DIGITAL
Cuantiado: El bloque de muestreo es usado para muestreo y retención. Este término describe un circuito que recibe como entrada una señal analógica y mantiene dicha señal en un valor constante durante un tiempo específico.
Convertidor analógico/digital: Un convertidor analógico digital también conocido como codificador, es un dispositivo que convierte una señal analógica, usualmente una señal codificada numéricamente. Dicho convertidor se necesita como interfaz entre un componente analógico y uno digital. Con frecuencia un círculo de muestreo y retención es una parte integral de un convertidor A/D.
La conversión de una señal analógica en la señal digital correspondiente es una aproximación, ya que la señal analógica puede adoptar un número finito de valores, mientras que la variedad de números diferentes que se pueden formar mediante un conjunto finito de dígitos está limitada. Este proceso de aproximación se denomina cuantificación.
Convertidor digital/ analógico: Un convertidor digital analógico, también es llamado decodificador, es un dispositivo que convierte una señal digital en una señal analógica. Dicho componente es necesario como interfaz entre un componente digital y uno analógico.
Sensor: Un sensor es un dispositivo que convierte una señal de entrada en una señal de salida de naturaleza diferente a la entrada, tal como los dispositivos que convierten una señal de temperatura en voltaje. En general, la señal de salida depende de la historia de la entrada.
Los sensores se pueden clasificar como analógicos, sensores de datos o digitales. Un sensor analógico es aquel que las señales de entrada y salida son funciones continuas en el tiempo.
Las magnitudes de estas señales pueden tomar cualquier valor dentro de las limitaciones físicas del sistema. Un sensor digital es aquel en el que las señales de entrada y salida se presentan solo en valores discretos de tiempo y las magnitudes de las señales están cuantificadas.
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9 CUANTIFICACION
Las principales funciones involucradas en la conversión analógico/digital son el muestreo, la cuantificación de la amplitud y la codificación. Cuando el valor de cualquier muestra cae entre dos estados de salida adyacentes, se debe leer como el estado de salida permitido más cercano al valor real de la señal. El proceso de representación de una señal continua o analógica mediante un número finito de estados discretos se denomina cuantificación de la amplitud.
Esto es, cuantificación significa transformación de una señal continua o analógica en un conjunto de datos discretos.
El estado de salida de cualquier muestra cuantificada se describe entonces mediante un código numérico. El proceso de representar el valor de muestra mediante un código numérico se denomina codificación.
De este modo, la codificación es el proceso de asignación de una palabra o código digital a cada uno de los estados discretos. El período de muestro y los niveles de cuantificación afectan el desempeño de los sistemas de control digital.
Cuantificación: El sistema numérico estándar utilizado para el procesamiento de señales digitales es el binario.
En el caso de la cuantificación, los n pulsos de encendido/apagado pueden representar 2 niveles de amplitud o estados de salida. El nivel de cuantificación Q se define como el intervalo entre dos puntos adyacentes y está dado por:
Q= FSR2n
Donde FSR es el intervalo a escala completa. En la figura (a) se observa el diagrama de bloques de un cuantificador, mientras que en la figura (b) se observa una señal analógica cuantificada:
Fig7. Muestreo de una señal analógica.
10 CONCLUSIONES
El avance que ha tenido la teoría de controlen los últimos años ha sido muy grande, hoy en día es prácticamente común observar sistemas da control para distintos artefactos, máquinas.
Dichos avances no hubieran sido posibles sin los sistemas de control digital, ya que estos son el motor que ha dado impulso a un proceso de control mucho más confiable, y preciso que los sistemas analógicos.
La clave de su éxito está en cómo se tratan las señales de entrada del sistema, ya que esta es muestreada o digitalizada para ser procesada por un ordenador de acuerdo a lo que se quiere q realice el sistema de control.
El rango de aplicación de estos sistemas es muy diverso, debido a la precisión que tienen en relación con los sistemas analógicos.
El problema de estos sistemas es su complejidad, ya que no solo abarca un campo de la ingeniería como la electricidad o electrónica sino otros campos como la informática, los ordenadores o la mecánica.
El éxito del sistema de control dependerá de los conocimientos del diseñador.
11 REFERENCIAS
[1] OGATA K., "Ingeniería de Control Moderna", Prentice Hall Hisp., 1991.
[2] KUO B., "Sistemas de Control Automático", Prentice Hall Hisp., 1996.
[3] CANALES R., BARRERA R., "Introducción a sistemas dinámicos y control automático", Wiley.
[4] FRANKLIN G., POWELL J.D., EMMAMI-NAEINI, "Control de sistemas dinámicos con retroalimentación", Addison Wesley Hisp., 1991.
[5] ÅSTRÖM R. WITTENMARK B., "Sistemas controlados por computador", Paraninfo, 1988.
[6] PHILLIPS L., NAGLE H.T., "Digital Control Systems, Analysis and Design", Prentice Hall, 1984.
[7] FRANKLIN, GF; Powell, JD control digital de sistemas dinámicos. EE.UU., California: Addison-Wesley. 1981. ISBN 0201820544
[8] KATZ, P. de control digital que utilizan microprocesadores. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 293p. 1981.
[9] Ogata, K. sistemas de control de tiempo discreto. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 984p. 1987.
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