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• Eduardo Hernandez Cruz

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Control Digital

Control de Procesos por Computadora

INTRODUCCIÓN En este tema comprenderás los fundamentos teóricos del sistema de control de procesos por computadora, así como las aplicaciones en la ciencia y tecnología. También se plantean ejemplos de los sistemas de control digital para tu mejor comprensión y entendimiento. Mediante el estudio de este tema, comprenderás qué es el control de procesos por computadora, las ventajas y desventajas de este sistema de control y la teoría que hay detrás de esto. La era digital está avanzando a pasos gigantes, por lo que las computadoras ahora son capaces de desarrollar operaciones complejas a velocidades sorprendentes. Cada día vemos más aplicaciones en donde la electrónica y el procesamiento de información ocupan mayor importancia. Por ejemplo, en la rama automotriz, cada vez son más los componentes electrónicos que integran el sistema. Básicamente, en un sistema automotriz, los elementos electrónicos juegan un papel importante en la inyección de combustible, sistemas de seguridad activa como ABS, sistemas de piloto automático, sistemas anti-volcaduras, etc. A medida que va avanzando la electrónica, sus aplicaciones son más variadas y una de las aplicaciones más importantes es la Ingeniería de Control Digital. Cada uno de los sistemas antes mencionados es básicamente control digital con el objetivo de controlar una o más variables, como velocidad, apertura y cierre de inyectores y activación de los frenos, entre otras muchas aplicaciones, todo esto gracias al control de procesos por computadora. Así podemos ver esta aplicación tanto en un automóvil o un invernadero, como en un aire acondicionado ubicado en tu salón de clases u oficina. Para comprender la teoría, comenzaremos por entender los sistemas de control digital. Si bien un sistema de control digital común basa su funcionamiento en la teoría del control digital clásico, a este sistema habrá que agregarle un elemento más, que es el convertidor análogo-digital, el cual permitirá la conversión de las señales continuas en señales de tiempo discreto. Los sistemas de control digital basan su control en procesadores electrónicos digitales, los cuales reciben una señal análoga que debe ser muestreada y convertida a una señal digital mediante un convertidor Análogo-Digital (A/D) para así crear un tren de pulsos que posteriormente cuantifica su amplitud en un sistema binario para la interpretación de dichas señales por parte de una computadora o procesador digital que tendrá el objetivo de manipular un actuador para el control de un proceso.

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TEMA 2. CONTROL DE PROCESOS POR COMPUTADORA 2.1 Aplicación de una microcomputadora como elemento controlador de un lazo de control El crecimiento explosivo de la tecnología digital permite la creación de diferentes aplicaciones, como el procesamiento de señales, telecomunicaciones y diseño de software, entre otras muchas. Una de estas aplicaciones es el control de procesos por computadora. Actualmente, las computadoras procesan grandes volúmenes de datos, cálculos con gran número de variables que realizan procesos en donde la velocidad, la capacidad de almacenamiento en memoria y la recuperación, recolección y actualización de datos, son muy rápidos. Cuando una computadora deja de ser un procesador de datos y se es programada para el control de una variable que manejará una planta, se le conoce con el nombre de controlador.

El control de procesos por computadora obedece las teorías de control clásico; sin embargo, los controladores son implementados como procesos programables en hardware, pudiendo ser un microchip, un microcontrolador o una computadora. El procesamiento de las señales de entrada y de salida ya no es de forma análoga. Para que las señales puedan ser comprendidas por el microprocesador deben ser digitalizadas, es decir, pasar de la señal análoga a la señal digital. A este proceso se le conoce con el nombre de discretización. La discretización es realizada mediante convertidores del tipo análogo a digital conocidos como ADC, así como convertidores digitales a análogos conocidos como DAC. La configuración de un sistema entre un ADC, DAC, proceso a controlar o planta, sensores, y computadoras funcionando como controladores, son llamados sistemas de muestreo de datos. A continuación se muestra el diagrama de bloques de un sistema de control digital:

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En todo sistema de control digital se ven involucradas señales de amplitud variable, tanto en tiempo continuo como en tiempo discreto. También existe un proceso de cuantificación que permite el procesamiento de dichas señales en la computadora o microcontrolador. El reloj o timer del sistema es el que controlará el proceso de muestreo de la señal. Tal como se observa en el diagrama, la entrada que es del tipo análoga continua es muestreada y convertida en una señal digital que pasa al controlador (Microcontrolador o Computadora). El controlador digital procesa la secuencia de números mediante algoritmos previamente programados que permitirán la manipulación de una señal de salida hacia un actuador que controlará la planta. Sin embargo, la señal que sale del controlador digital deberá convertirse en análoga para el control de la planta. Una vez que la variable a controlar de la planta obedece al comportamiento inducido por el actuador, esta variable deberá ser sensada hasta llegar a la referencia preestablecida a alcanzar. La señal proveniente del sensor es del tipo análoga, por lo cual deberá convertirse en una señal digital para completar el lazo cerrado debiendo llegar hacia un sumador que ingresará dicha señal al controlador. Un ejemplo real de la aplicación del control digital en la industria automotriz es en los sistemas de frenado activo. Actualmente, estos sistemas están en su mayoría disponibles para las flotas de tractocamiones y trailers; sin embargo, existen automóviles que si bien no ejercen un frenado activo en el vehículo, dan una alarma en señal de un vehículo próximo. El sistema consiste en un sistema de control para mantener una velocidad constante en el vehículo. Este sistema toma una distancia de referencia previamente establecida como segura. Como variable de entrada, se tiene un sensor infrarrojo que sensa la distancia a la que se encuentra un vehículo, en base a un algoritmo de comparación de velocidades relativas. Esta señal deberá ser convertida mediante el uso de un ADC para el entendimiento de la computadora del vehículo. Una vez que el controlador ha detectado que la distancia de referencia, según las velocidades de ambos vehículos, ha salido del rango de seguridad, se envía una señal hacia el modulador de los frenos ABS, dicha señal ya ha pasado por un DAC y tendrá que frenar automáticamente el vehículo hasta que la distancia de seguridad basada en las velocidades de ambos vehículos sea considerada segura. Pág. 3

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2.2 Ventajas y limitaciones de control por computadora en procesos industriales Como todo, el uso de sistemas de control digital tiene ventajas y desventajas. En este apartado se abordarán las principales ventajas y desventajas del uso de un sistema de control digital en comparación con un sistema de control análogo. La ventaja del controlador analógico es que el sistema trabaja en tiempo real y puede tener un ancho de banda muy grande. Las desventajas del controlador analógico es que sus elementos se encuentran montados de una manera rígida, lo cual dificulta modificar el diseño. El envejecimiento de los componentes y la sensibilidad de éstos a cambios en el medio pueden llegar a ser muy importantes. Los componentes analógicos exhiben una susceptibilidad mayor a problemas de ruido. Hablando sobre el control digital, algunas de sus ventajas son:

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Los sistemas de control digital también presentan desventajas importantes en comparación a los sistemas analógicos. Entre las desventajas que poseen los sistemas de control digital se encuentran las siguientes:

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El muestreo y la reconstrucción de señales tiende a generar una mayor cantidad de errores.

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La limitación en la velocidad de procesamiento provoca retrasos en los lazos de control.

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Inestabilidad ocasionada por los retardos computacionales y la insuficiencia de frecuencia de muestreo.

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Pueden existir retrasos producto de una velocidad de procesamiento limitada.

Referencias bibliográficas Kuo, B. (2002). Sistemas de control digital. (1ª Ed.). México: Editorial CECSA. Capítulo 1: Ventajas de los sistemas de control de datos discretos.

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TAREA 2 Instrucciones: Consulta la información proporcionada por el maestro y consultando fuentes confiables de internet, realiza una presentación electrónica que contenga la siguiente información. 1. Descripción de un sistema de control digital. 2. Definición de cada uno de los elementos de un lazo de control digital. 3. Descripción de dos tipos de controladores digitales. 4. Descripción de 3 aparatos electrónicos de tu vida diaria que usen sistemas de control digital y define sus entradas y salidas. 5. Relación de las aplicaciones del control de procesos por computadora, así como las ventajas de llevar a cabo un control de procesos por computadora.

Entregar el archivo de la presentación electrónica en el curso en línea: http://personal.cablemas.com/shacampos/curso Con el nombre del archivo: Tarea 2.pptx

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