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CONTROL DIGITAL DIRECTO. Julio Cesar Montesdeoca Contreras, José A González R il:
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El operador es prevenido tomando el computador una acción de emer gencia.
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.
oceso De este m odo, los límites de operación del pr oc pueden estrecharse con segur idad, de ma nera que éste puede llevarse a un punto de operación crítico sin pr oblemas.
PALABRAS CLAVE : Contr ol ol Digital. 1
INTRODUCCIÓN
ol es un campo interdisciplinar io io de La Teoría de Contr ol la ingeniería y las matemáticas, que trata con el comp or tamiento de sistemas dinámicos.
A la salida deseada de un sistema se la llama referencia. C uando una o más var iables de sa lida de un sistema necesitan seguir cier ta referencia sobre el ti empo, un contr ol olador manipula la entrada a l sistema para obtener el efecto deseado en la salida del sistema. El contr ol ol digital directo (DDC) es el contr ol ol automático de una condición o pr oc oceso por un dispositivo digital (computadora) o un micr opr oc ocesador. ig1. F uncionamiento uncionamiento F ig1.
La utilización de un pr oc ocesador digital para contr ol olar un pr oc oceso es lo que se llama contr ol ol digital directo, y es regularmente refer ido a contr ol ol de pr oc es s. oc o
de un sistema DDC.
El DDC permite una transferencia automático manual sin per tu turbaciones y adm ite una f ácil ácil modif ic icación de las acciones y de las conf igu iguraciones de los s istemas de contr ol ol, lo cual es m uy impor tante en la puesta en mar cha de la planta.
La tecnología digital ha evolucionado r ápidamente con recursos más poder osos y más r ápidos, el diseñar la estr uctu uctura de s istemas de contr ol ol, basándose en algor ititmos digitales apr opiados teniendo en cuenta las características del sistema y cumpliendo con calidad las especif ic icaciones f uncion uncionales, el pr oblema básico del Contr ol ol Digital directo no está en el desarr ollo ollo tecnológico de los contr ol oladores digitales sino en las aplicaciones y pr inci incipalmente en el conocimiento, habilidades y creatividad de q uien diseñe el Sistema de ol para determinar las áreas de opor tuni tunidad. Contr ol
El computador pr opiamente dicho admite tanto la inf ormación de entrada com o de salida, la cual la p uede almacenar en memor ias auxiliares como discos dur os, iores pr oc ocesos de repor te, adem ás puede para poster io presentarse la inf ormación al operador por medio de impresoras, pantallas de ray os catódicos donde se ocesos. puedan esquematizar los pr oc 3
2 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA SISTEMA DDC
APLICACIONES DIGITAL.
DE
CONTROL
Los algor ititmos de contr ol ol convencionales utilizados en contr ol d a d re s ol igit l i cto on los siguientes:
El sistema DDC compara la señal enviada al inal de cont r ol ol con la señal de entrada y elemento f in determina la aceptación de la inf ormación para la acción de cont r ol ol. Si ésta no es a ceptable se retiene la última posición del elemento f in inal de contr ol ol.
PROPORCIONAL (P) PROPORCIONAL INTEGRAL (PI) PROPORCIONAL DERIVATIVO (PD) PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID)
1
. 4
CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL DIGITAL
Como características básicas del cont r ol digital se pueden mencionar las siguientes: No existe límite en la complejidad del algor itmo. Cosa que sucede con los sistemas analógicos. Facilidad de aj uste y cambio. Un cambio en un contr ol analógico implica, en el mejor de los casos, un cambio de componentes si no un cambio del contr olador completo.
F ig3.
Ejemplo de un sistema de control digital en retroalimentación.
En un sistema continuo las señales vienen representadas p or f unciones continuas. En un sistema discreto (digital) sin embar go, se representan como secuencias discretas. Esas secuencias discretas son una ser ie de númer os que pr ovienen de tomar los valores instantáneos de seña les analógicas en instantes de tiempo concretos. Es lo que se denomina m uestreo. Esos instantes suelen estar espaciados simétr icamente por un tiempo T que se denomina per iodo de muestreo.
Exactitud y estabilidad en el cálculo debido a que no existen der ivas u otras f uentes de err or. Costo vs. Númer o de lazos. No siempre se j ustif ica un contr ol digital ya que e xiste un costo mínimo que lo hace inaplicable para un númer o reducido de var iables. Tendencia a l contr ol distr ibuido o jer árquico. Se ha pasado de la idea de usar un único contr olador o comp utador para toda una planta a la de distr ibuir los dispositivos inteligentes por var iable o gr upos de es tas e ir f ormando estr ucturas jer árquicas.
5 CONTROL DIGITAL VS. CONTROL ANALÓGICO. El costo f ue el pr incipal ar gumento para cambiar de tecnología. El costo de un sistema analógico se incrementaba linealmente por el númer o de lazos.
F ig4.
Señal continua (analógica).
A cada uno de los va lores se les denomina m uestras y se identif ican por su númer o de muestra k. En la f igura se observa una secuencia yk = {y0, y1, y2, . . .}, q ue pr oviene de una señal analógica y( t) q ue se observa en la f igura 2, con la re lación entre m uestra k e instante de tiempo kT.
La comunicación con el operador cambia de f orma dr ástica. Flexibilidad. Los sistemas analógicos son modif icados re-alambrando, los digitales repr ogramando. Los componentes digitales son más r obustos, conf iables y peq ueños. Los sistemas sensibilidad al r uido.
F ig2.
digitales
presentan
menor
Ejemplo de un sistema de control analógico en retroalimentación. F ig5.
2
Señal muestreada (digital).
. La elección del per iodo de m uestreo es muy impor tante puesto que un valor demasiado grande hace que se pierda inf ormación cuando se muestrean señales r ápidas, que e n el caso de tratarse de un pr oblema de contr ol pr ovendr án de sistemas r ápidos. 6
ESTRUCTURA DIGITAL
DEL
Por otr o lado, el sistema DDC compara la señal enviada al elemento f inal de contr ol con la señal de entrada y determina la aceptación de la inf ormación para la acción de cont r ol. Si ésta no es a ceptable se retiene la última posición del elemento f inal de contr ol.
CONTROL
El operador es prevenido tomando el computador una acción de emer gencia. De es te modo, los límites de operación del pr oceso pueden estrecharse con segur idad, de ma nera que éste puede llevarse a un punto de operación crítico sin pr oblemas.
En cuanto a la arquitectura de un lazo de contr ol ti ene la f orma que se m uestra en la sigui ente f igura.
8 PARTES DE UN CONTROL DIGITAL
SISTEMA
DE
Cuantiado: El bloque de m uestreo es usado para muestreo y retención. Este término descr ibe un cir cuito que recibe com o entrada una señal analógica y mantiene d icha señal en un valor constante d urante un tiempo específ ico. F ig6.
Estructura de un sistema DDC.
Conver tidor analógico/digital: Un conver tidor analógico digital también conocido como codif icador, es un dispositivo que convier te una señal analógica, usualmente una señal codif icada numér icamente. D icho conver tidor se necesit a como interfaz entre un comp onente analógico y uno digital. Con frecuencia un cír culo de m uestreo y re tención es una par te integral de un conver tidor A/D.
El pr oceso en la mayoría de los casos es continuo, es decir se lo debe excitar con una seña l continua y genera una salida continua. Esta señal, como en cualquier lazo de contr ol es censada p or a lgún dispositivo que a s u vez entrega una señal continua pr opor cional a la magnitud medida.
La conversión de una señal analógica en la señal digital correspondiente es una apr oximación, ya que la señal analógica puede adoptar un númer o f inito de valores, mientras que la var iedad de númer os diferentes que se pueden f ormar mediante un con junto f inito de dígitos está limitada. Este pr oceso de apr oximación se denomina cuantif icación.
Por otra par te está el computador que s olo 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.
Conver tidor digital/ analógico: Un conver tidor digital analógico, también es llamado decodif icador, es un dispositivo que convier te una señal digital en una señal analógica. Dicho componente es necesar io como interfaz entre un componente digital y uno analógico.
El desarr ollo electr ónico ha perm itido la fabr icación de contr oladores digitales basad os en micr opr ocesadores con todas las ventajas, por ejemplo, el ajuste del punto de consigna y las a cciones PID sin tener q ue e xtraer el instr umento de su base en el panel, al auto ajuste del instr umento para acomodarse a las var iaciones de régimen de car ga del pr oceso y el autodiagnóstico del aparato.
Sensor : Un sensor es un dispositivo que convier te una señal de entrada en una señal de salida de naturaleza diferente a la entrada, tal como los dispositivos que convier ten una señal de temperatura en voltaje. En general, la señal de salida depende de la histor ia de la entrada.
Los contr oladores digitales perm iten el ajuste de s us acciones de cont r ol ante las per turbaciones per iódicas del pr oceso.
Los sensores se pueden clasif icar como analógicos, sensores de datos o digitales. Un sensor analógico es aquel que las señales de entrada y salida s on f unciones continuas en el tiempo.
Por este motivo pueden trabajar con var ios algor itmos de contr ol P+I+D. El algor itmo convencional, donde las acciones se inf luyen m utuamente, y que corresponde a los contr oladores clásicos neumáticos y electr ónicos. Generalmente estos algor itmos de contr ol son desarr ollados por micr opr ocesadores dedicados únicamente a esta labor.
Las magnitudes de es tas señales pueden tomar cualquier valor dentr o de las limitaciones físicas del sistema. Un sensor digital es aquel en el que las señales de entrada y sa lida se prese ntan solo en valores discretos de tiempo y las magnitudes de las señales están cuantif icadas.
3
. 9
CUANTIFICACION
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CONCLUSIONES
Las pr incipales f unciones involucradas en la conversión analógico/ digital son el muestreo, la cuantif icación de la amplitud y la codif icación. Cuando el valor de cualquier muestra cae entre dos estados de salida adyacentes, se debe leer como el estado de salida permitido más cer cano al valor real de la señal. El pr oceso de representación de una señal continua o analógica mediante un númer o f inito de estados discretos se denomina cuantif icación de la amplitud.
El avance que ha tenido la teoría de contr olen los últimos años ha s ido muy grande, hoy en día es pr ácticamente común observar sistemas da contr ol para distintos ar tefactos, máquinas.
Esto es, cuantif icación signif ica transf ormación de una señal continua o analógica en un con junto de datos discretos.
La clave de s u éxito está en cómo se tratan las señales de entrada del sistema, ya q ue esta es muestreada o digitalizada para ser pr ocesada por un ordenador de acuerdo a lo que se quiere q realice el sistema de contr ol.
Dichos avances no hubieran sido posibles sin los sistemas de contr ol digital, ya que estos son el motor que ha dad o impulso a un pr oceso de contr ol mucho más conf iable, y preciso que los sistemas analógicos.
El estado de salida de cualquier muestra cuantif icada se descr ibe entonces mediante un código numér ico. El pr oceso de representar el valor de m uestra mediante un código numér ico se denomina codif icación.
El rango de aplicación de estos sistemas es m uy diverso, debido a la precisión quetienen en relación con los sistemas analógicos.
De este m odo, la codif icación es el pr oceso de asignación de una palabra o código digital a cada uno de los estados discretos. El período de m uestr o y los niveles de cuantif icación afectan el desempeño de los sistemas de contr ol digital.
El pr oblema de es tos s istemas es s u complejidad, ya que no solo abar ca un campo de la ingeniería como la electr icidad o electr ónica sino otr os campos como la inf ormática, los ordenadores o la mecánica.
Cuantificación: El sistema numér ico estándar utilizado para el pr ocesamiento de señales digitales es el binar io.
El éxito del sistema de contr ol depender á de los conocimientos del diseñador.
En el caso de la cuantif icación, los n pulsos de encendido/apagado pueden representar 2 niveles de amplitud o estados de salida. El nivel de cuantif icación Q se def ine como el intervalo entre dos puntos adyacentes y está dado por :
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[1] OGATA K., "Ingeni ería de Contr ol Moder na", Prentic e Hall Hisp., 1991. [2] KUO B., "Sistemas de Contr ol Automático", Prentic e Hall Hisp., 1996. [3] CANALES R., BARRERA R., "I ntr oducción a sistemas dinámicos y contr ol automático", W iley. [4] FRANKLIN G., POWELL J.D., EMMAMI-NAEINI, "Contr ol de sistemas dinámicos con retr oaliment ación", Addis on Wes ley Hisp., 1991. [5] ÅSTRÖM R. WITTENMARK B., "Sistemas contr olados por computador", Paraninf o, 1988. [6] PHILLIPS L., NAGLE H.T., "Digital Contr ol Systems, Analysis and Des ign", Prentic e Hall, 1984. [7] FRANKLIN, GF; P owell, JD contr ol digital de sistemas dinámicos. EE.UU., Calif or nia: Addis on-Wesley. 1981. ISBN 0201820544 [8] KATZ, P. de contr ol digital que utilizan micr opr ocesadores. Englewood Cliffs, Prentic e-Hall, 293p.1981. [9] Ogata, K. sistemas de cont r ol de tiempo discreto. EnglewoodCliffs, Prentic e-Hall, 984p. 1987.
Donde FSR es el intervalo a escala completa. En la f igura (a) se observa el diagrama de bloques de un cuantif icador, m ientras que e n la f igura (b) se observa una señal analógica cuantif icada:
F ig7.
REFERENCIAS
Muestreo de una señal analógica.
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