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Introducción para el control digital




Enviado por Pablo Turmero



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    Sistemas de control en tiempo discreto El control de procesos con
    una computadora digital es cada vez más común. Esto
    se debe principalmente a: Mejor manejo del ruido en las
    señales digitales. Generalmente el gasto de energía
    del controlador digital es menor. La disponibilidad de
    computadoras digitales de bajo costo. La gran flexibilidad en los
    programas de control. No solo los sistemas complejos sino
    también algunos sencillos como los enseres
    domésticos son controlados por medio de control digital.
    La tendencia actual es utilizar el control digital en lugar del
    control analógico, donde sea posible y viable. El uso de
    la computadora digital para realizar la optimización a
    partir de criterios bien definidos. Utilizando el mínimo
    de energía posible y el máximo de flexibilidad y
    economía.

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    Las dos áreas más importantes de aplicación
    de los sistemas digitales de control son: Las pasivas, donde la
    mayoría de los datos adquiridos del proceso son solamente
    manipulados por una computadora digital para propósitos de
    monitoreo, alarmas reportes de producción, etc, y Las
    activas, donde la computadora está involucrada
    directamente en el control del proceso. (entre un 20 y un 30% de
    las mediciones son usadas para control). Sistemas de control en
    tiempo discreto

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    (Gp:) Muestreo, retenedor y convertidor A/D (Gp:) Computadora
    digital (Gp:) Convertidor digital a analógico D/A (Gp:)
    Circuito retenedor (Gp:) Actuador (Gp:) Planta o proceso (Gp:)
    Transductor Estructura de un controlador digital Muestreo y
    retenedor. Es un circuito que recibe como entrada una
    señal analógica y mantiene esa señal durante
    un período de tiempo suficiente para ser utilizada como
    entrada al convertido A/D. Convertidor analógico-digital
    (A/D). Es un dispositivo que convierte una señal
    analógica a una señal digital. Usualmente es un
    señal de codificada numéricamente propicia para su
    manipulación en un dispositivo digital (PC). Sistemas de
    control en tiempo discreto

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    Estructura de un controlador digital Computadora digital . Es
    donde se realiza la manipulación numérica necesaria
    para proveer un algoritmo de control. Es el “cerebro
    del controlador digital. Recibe una señal codificada del
    A/D, realiza cálculos y ofrece una acción de
    control con datos codificados que posteriormente se transforman
    en una señal física adecuada al sistema.
    Convertidor digital-analógico (D/A). Es un dispositivo que
    convierte una señal digital a una señal
    analógica. La señal de codificada proveniente del
    controlador digital se transforma en una señal
    física propicia para su utilización en el sistema.
    Circuito retenedor. La señal física del convertidor
    D/A generalmente muestra una serie de discontinuidades, el
    circuito retenedor se encarga de “suavizarlas”
    generando una señal menos discontinua y más
    adecuada para el sistema a controlar. El retenedor más
    popular en sistemas de control es el retenedor de orden cero, el
    cual solo mantiene el valor constante hasta el próximo
    valor de la señal del D/A. Sistemas de control en tiempo
    discreto

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    Estructura de un controlador digital Actuador. La señal de
    salida del retenedor en su gran mayoría no es una
    señal adecuada para ser introducida al sistema. Ya sea por
    la cantidad de potencia requerida o por el tipo de variable de
    entrada al sistema. El actuador es la unión final entre la
    señal de control y el sistema a controlar. En este caso,
    es el encargado de manipular la variable física de entrada
    al sistema por medio de la acción de control que viene
    desde el controlador digital. Planta o proceso. Es el sujeto a
    ser controlado. Generalmente un conjunto de partes que funcionan
    de manera conjunta para llevar a cabo un objetivo común.
    Es de naturaleza “analógica”. Transductor. Es
    un dispositivo que convierte una señal de entrada a otra
    señal de naturaleza diferente. En este esquema, se utiliza
    para transformar la señal de salida del sistema a
    controlar en una señal adecuada para ser introducida al
    algoritmo de control. Sistemas de control en tiempo
    discreto

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    Transductor Amplificador Filtro paso-bajas Multiplexor
    analógico Muestreador y retenedor Convertidor A/D
    Variables físicas Registro De-multiplexor Convertidor D/A
    Retenedor Al actuador Controlador digital Sistema de
    adquisición y distribución de datos.
    Adquisición y distribución de datos. Sistemas de
    control en tiempo discreto

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    Tipo de señales Señales continuas en el tiempo. Son
    señales definidas sobre un rango continuo de tiempo, la
    amplitud puede asumir un rango continuo de valores o un
    número finito de distintos valores. Señales
    analógicas. Están definidas sobre un rango continuo
    de tiempo y un rango continuo de amplitud. Señales
    continuas en el tiempo y cuantizadas en amplitud. Es una
    señal definida sobre un rango continuo de tiempo con un
    conjunto de valores finitos en la amplitud. (Gp:) t (Gp:) t
    Sistemas de control en tiempo discreto

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    Señales de tiempo discreto. Es una señal definida
    sobre sobre instantes discretos de tiempo, es decir la variable t
    es cuantizada. Si la amplitud de la señal puede asumir un
    rango continuo de valores, entonces la señal es llamada
    señal de muestreo. Señal digital. Es una
    señal definida sobre instantes discretos en tiempo y
    amplitud. El uso de controladores digitales requiere la
    cuantización de señales en tiempo y amplitud. Este
    tipo de señales puede ser representada por una secuencia
    de números, por ejemplo números binarios. t t
    Sistemas de control en tiempo discreto

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    Convertidores digital analógico La señal
    proveniente de un controlador digital u otro de dispositivo
    digital, se debe convertir a una señal analógica
    adecuada para el sistema a controlar o manejar. Un convertidor
    digital-analógico (D/A) es un dispositivo que transforma
    una entrada digital (números binarios) en una entrada
    analógica. (Gp:) Si el CDA es de bits, entonces se tienen
    valores analógicos. Bits (3) Salida analógica 0 0 0
    0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Para
    cada valor digital, existe solo un valor analógico
    Sistemas de control en tiempo discreto

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    Los métodos más comunes para la conversión
    digital analógica son: 1) El método de resistencias
    ponderadas Diagrama esquemático de un CDA con resistencias
    ponderadas. Cuando un bit es uno, se conecta al voltaje de
    referencia. Cuando un bit es cero, se conecta al tierra. Todos
    los bits se aplican de manera simultánea. Solo es
    recomendable para cierto número de bits (pierde
    exactitud). Convertidores digital analógico Sistemas de
    control en tiempo discreto

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    2) El método de escalera R-2R Diagrama esquemático
    de un CDA con circuito escalera R-2R. Cuando un bit es uno, se
    conecta al voltaje de referencia. Se obtiene un alto nivel de
    exactitud al utilizar solo dos o tres valores de resistencia. Es
    posible realizar hasta CDA de hasta 32 bits Convertidores digital
    analógico Sistemas de control en tiempo discreto

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    Convertidores analógico-digital El proceso de convertir
    una señal analógica a un valor o dato digital se
    realiza por medio de un convertidor analógico digital. Hay
    alrededor de seis técnicas básicas para la
    conversión analógica digital. Cada una de ellas con
    sus limitaciones y ventajas. Dentro de las más conocidas y
    comerciales están: Codificación en paralelo
    Half-flash Aproximaciones sucesivas Sistemas de control en tiempo
    discreto

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    Codificación en paralelo (“Flash” ADC) En este
    método, la señal de voltaje es alimentada
    simultáneamente a cada uno de los n comparadores. Las
    otras entradas de los comparadores se conectan cada una a n
    diferentes niveles de voltaje. La salidas de los comparadores se
    conectan a un codificador de prioridad, el cual genera un salida
    digital correspondiente al comparador más alto activado.
    Es el método más rápido para la
    conversión A/D. Comercialmente desde 4 hasta 10 bit Desde
    15 a 300 MSPS (Millones de muestras por segundo) Convertidores
    analógico-digital Sistemas de control en tiempo
    discreto

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    Convertidores analógico-digital 4 bit Flash ADC (4 MSBs) 4
    bit Flash ADC (4 LSBs) 4 bit DAC Almacenador de 3 estados
    Codificación en semi-paralelo (“Half Flash”
    ADC) Es un proceso de dos pasos, primero la señal es
    convertida a la mitad de la precisión, un D/A interno
    convierte esta señal otra vez a análoga y la
    diferencia entra esta y la señal original es convertida
    otra vez para obtener los bits menos significativos.
    Convertidores de bajo costo y muy rápidos Entrada
    analógica Sistemas de control en tiempo discreto

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    Vref registro de aproximaciones sucesivas Convertidor
    digital-analógico Convertidores analógico-digital
    empezar terminar conversión Osc lógica de control
    retener y salida digital Entrada analógica Aproximaciones
    sucesivas Primero todos los bits son cero e iniciando con el
    más significativo se cambia a 1 y se compara con la
    entrada analógica por medio de un D/A. Si la salida del
    D/A no excede la señal de entrada, el bit se deja en 1 o
    viceversa. Se continua con el siguiente bit hasta el LSB. La
    salida digital es puesta en formato paralelo. Este ADC utiliza n
    siclos de reloj. Es una técnica muy popular, más
    barata que las anteriores, relativamente precisa y rápida.
    Tiempo de conversión de 1 a 50 Comúnmente entre 8 a
    12 bits Sistemas de control en tiempo discreto

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