Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín Decanato de Investigación y Postgrado Ingeniería de Control y Automatización de Procesos Cátedra: Diseños de Esquemas de Control para Sistemas Lineales
SISTEMAS DISCRETOS Y DIGITALES / DISEÑO DIGITAL DIRECTO
Maracaibo, Maracaib o, Septiembre Septiembre 2014 - Enero 2014 2014 Dr. William Rojas
Implantación de controladores controladores Sistemas digital
Muestreo, retenedor y convertidor A/D
Computadora
digital
Convertidor digital a analógico D/A
Circuito retenedor
Actuador
Planta o proceso
Transductor Dr. William Rojas
Implantación de controladores controladores Sistemas digital
Muestreo, retenedor y convertidor A/D
Computadora
digital
Convertidor digital a analógico D/A
Circuito retenedor
Actuador
Planta o proceso
Transductor Dr. William Rojas
Implantación de controladores controladores Sistemas continuos y sistemas discretos. En un sistema continuo las variables de estado cambian de forma continua a lo largo del tiempo, mientras que en uno discreto cambian instantáneamente de valor en ciertos instantes de tiempo
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IMPLANTACIÓN IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES CONTROLADORES Sistemas Continuos Las variables variables de estado estado del del sistema sistema evolucionan evolucionan de modo modo continuo continuo a lo largo del tiempo estado
tiempo
IMPLANTACIÓN IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES CONTROLADORES Control Continuo 1.- La variable controlada toma toma valores en un rango continuo continuo 2.- Se mide continua continuamente mente la variable variable controlada controlada 3.- Se actúa continuamente sobre un rango de valores valores del actuador actuador
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Control discreto 1.- Las variables sólo admiten un conjunto de estados finitos
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Control digital o discreto: Sistema procesador diseñado para que el sistema de control logre las especificaciones requeridas. Este sistema trabaja u opera en instantes de tiempo predeterminados, múltiplos del periodo de muestreo y es, por tanto, un sistema síncrono. La operatividad del sistema o su funcionamiento de procesado queda caracterizada plenamente mediante su ecuación en diferencias.
Diagrama de bloques de un sistema de control discreto Dr. William Rojas
Implantación de controladores Componentes del control digital El muestreo o discretización transforma las señales de tiempo continuo en datos de tiempo discreto. Muestreador y retenedor (Sample-and-Hold, S/H). Es un circuito que recibe una señal analógica y la mantiene en un valor constante durante un tiempo específico. Convertidor analógico-digital (A/D). Conocido también como codificador, convierte una señal analógica en una señal digital, usualmente una señal codificada numéricamente.
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Implantación de controladores Componentes del control digital Convertidor digital-analógico (D/A). También llamado decodificador, convierte una señal digital (datos codificados numéricamente) en una señal analógica. Planta o proceso. Una planta es cualquier objeto físico a ser controlado. Transductor. Dispositivo que convierte una señal de entrada en una señal de salida de naturaleza diferente a la de la entrada.
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Implantación de controladores Aplicaciones del control digital
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Implantación de controladores Control de nivel
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES MedidorAnalógico Analógico Medidor Lamedida medidaque queproporciona proporcionavaría varíade deforma formacontinua continua(termómetro (termómetro La quepuede puedemarcar marcarcualquier cualquiervalor valorcomprendido comprendidoentre entrelalatemperatura temperatura que mínimayymáxima) máxima) mínima MedidorDigital Digital Medidor Lamedida medidaque queproporciona proporcionasólo sólopuede puedetomar tomarun unvalor valorentre entreun un • •La conjuntofinito finitode devalores valores(tacómetro (tacómetrodigital digitalque quemide mide lalavelocidad velocidadde de conjunto rotaciónde deun uneje ejecontando contandoelelnúmero númerode de vueltas vueltaspor porunidad unidadde de rotación tiempo,que quesólo sólopuede puedeser serun unnúmero número entero) entero) tiempo,
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Implantación de controladores Controlador Analógico Los controladores análogos hacen uso del amplificador operacional. Éste es un dispositivo amplificador de la diferencia de sus dos entradas, con una alta ganancia, una impedancia de entrada muy alta y una baja impedancia de salida, el cual mediante la conexión de componentes electrónicos adecuados dispuestos en forma de realimentación positiva o negativa, constituye el corazón de estos controladores. Necesita sólo una corriente de entrada del orden de los 0.5 nA (0.5*10-9 A) para dar lugar a un cambio total de la señal de salida (un valor próximo a la corriente de alimentación).
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Implantación de controladores Controlador Analógico Esquema simplificado del controlador PID análogo
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Implantación de controladores Controlador Digital Se basa en uno o más microprocesadores, el cual permite realizar operaciones de cálculo complejas a alta velocidad de procesamiento, apoyándose en dispositivos como la memoria RAM o Flash para poder almacenar datos y comunicarse con periféricos a través de canales de señales o buses: bus de datos, de direcciones y el bus de control
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Implantación de controladores Controlador Digital
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Implantación de controladores Controlador Digital 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 como por el ejemplo el P, PI, PID.
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Implantación de controladores Controlador Digital La señal del sensor y(t) es convertida a digital por el conversor A/D para ser retroalimentada al controlador digital. Luego la señal digital y’(t) es comparada con la señal de entrada de referencia r(t). La señal de error e(t)= r(t) - y’(t) se introduce en el algoritmo del controlador digital, el cual trata la señal e(t) de la manera deseable para producir la señal de control u(t). Ésta señal por medio del convertidor D/A se convierte a una señal continua (análoga) u’(t), que se alimenta al proceso.
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Digital: Digital: Setraduce traducelalaseñal señalaadigital digital(binario) (binario) ••Se Esmucho muchomás másinmune inmunealalruido ruido ••Es Se utilizan utilizan códigos códigos para para detección detección de de errores errores en en lala transmisión transmisión •• Se (paridad,CRC CRC(códigos (códigoscíclicos cíclicosredundantes), redundantes), (paridad,
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES • Analógico. Recibe señales analógicas, las procesa y genera la señal de control. Su respuesta se puede considerar instantánea • Digital. Están equipados con convertidores A/D y D/A que los capacitan para entender, procesar y generar señales analógicas. Su respuesta se puede considerar instantánea
Medida Analógica del sensor
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Se debe tener en cuanta que la mayoría de los procesos se desarrollan en el mundo analógico y las computadoras modernas trabajan en el mundo digital, por lo que se necesita de un sistemas de conversión entre los dos mundos, en nuestros estudios estos convertidores son los convertidores Analógicos a digital (ADC) y los convertidores digitales a analógicos (DAC).
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Transductor: Dispositivo Dispositivo que que convierte convierte una una variable variable física física medida medida en en Transductor: unaeléctrica. eléctrica. una Convertidor analógico-digital analógico-digital (ADC). (ADC). Se Se encuentra encuentra aa lala salida salida del del Convertidor transductor yy se se encarga encarga de de convertir convertir lala señal señal analógica analógica de de entrada entrada en en transductor unasalida salidadigital digital(de (deun unvalor valorcontinuo continuoaaun unvalor valordiscreto). discreto). una Computadora. Almacenar Almacenar yy procesar procesar lala señal señal de de salida salida del del ADC ADC de de Computadora. acuerdocon conlas lasinstrucciones instruccionesdel delprograma programaen enejecución. ejecución. acuerdo Convertidor digital-analógico digital-analógico (DAC). (DAC). Convierte Convierte una una señal señal digital digital Convertidor (discreta)aaun unvoltaje voltajeoocorriente corriente proporcional. proporcional. (discreta) Actuador.Circuito Circuito oodispositivo dispositivo que quesirve sirve para paraelel control controlde de lalavariable variable Actuador. física. física.
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Convertidor Digital a Analógico: Laconversión conversiónD/A D/Aes eselelproceso procesode detomar tomarun unvalor valorrepresentado representadoen encódigo código La digital(como (comobinario binariodirecto directoooBCD) BCD)yyconvertirlo convertirloen enun unvoltaje voltajeoocorriente corrienteque que digital seaproporcional proporcionalalalvalor valordigital. digital. sea Desdeun unpunto puntode devista vistatécnico, técnico,lalasalida salidade deun unDAC DACno noes esuna unacantidad cantidad Desde analógicaya yaque quesolo solopuede puedetomar tomarvalores valoresespecíficos, específicos,como comolos los16 16posibles posibles analógica nivelesde devoltaje voltajepara paraVsal Vsalen enun unconvertidor convertidorde de44dígitos dígitos. . niveles
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES La menor variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital.
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES 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. n
Si el CDA es de n bits, entonces se tienen2 valores analógicos.
Bits (3) 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1
Salida 23 analógica
0 1 2 3 4 5 6 7
Para cada valor digital, existe solo un valor analógico
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Implantación de controladores Aplicaciónde deun unDAC. DAC. Aplicación Lavelocidad velocidaddel delmotor motorelelcontrolada controladapor porelelnivel niveldigital digitalque quesale sale La delalacomputadora computadorayyaalalavez vezes esconvertido convertidopor porelelconvertidor convertidordigital digital de analógico. aaanalógico.
El código código BCD BCD El permite generar generar una una permite secuencia de de conteo conteo secuencia para ser ser convertida convertida aa para un valor valor analógico analógico un porDAC. DAC. por Dr. William Rojas
Implantación de controladores Circuitode deun unDAC. DAC. Circuito Estecircuito circuitoes eslalaforma formamas maselemental elementalde deun unconvertidos convertidosdigital digitalaa Este analógico,ya yaque queactiva activaun unnivel nivelde desalida salidaen enfunción funciónde delalasumas sumasde de analógico, losbits bits(A,B,C (A,B,CyyD) D)activos. activos. los nivelde decada cadabit bites esigual, igual,pero peropor porlalarelación relaciónde deresistencias, resistencias,se se ElElnivel asignaun unpeso pesode desalida salidaaacada cadauno unode deellos. ellos. leleasigna
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Implantación de controladores Convertidor Análogo a Digital (ADC). Estetipo tipode deconvertidores convertidoresgenera generauna unasalida salidadigital digitalen enfunción funciónalalnivel nivel Este de voltaje voltaje aa lala entrada. entrada. Varios Varios tipos tipos importantes importantes de de ADC ADC utilizan utilizan un un de convertidor D/A D/A como como parte parte de de sus sus circuitos, circuitos, mas mas un un circuito circuito de de control control convertidor quelelepermite permitedetectar detectarelelnivel nivel en enque quese seencuentra. encuentra. que
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Sistema de Control CONTROLADOR ELECTRONICO LC-V6-1
ESQUEMA DEL SISTEMA DE ACEITE DE SELLO
P/I V6-1 P/I V7-1
LC-V7-1
LT-7-1 NEUMAT.
V7
LT-6-1 NEUMAT.
V6
I/P V7-1 LV-V7-1
A. SELLO LY V6-1 I/P V6-1 LV-V6-1
I/P V6-1
P-20
P-19
A. SELLO F1B
BAJA
ALTA
LVB-V6-1 RETORNO AL TANQUE
F1A
D-3
TANQUE PRINCIPAL DE ACEITE LUB/SELLO
D-2
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Sistema de Control PA SC
Vapor
TRC
VP
fmve TIT Tve TpT
Producto
fmpe Tpe Process
mp, Tp mv, Tv
Retorno a la caldera
fmvs Tvs
Trampa
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Sistema de Control
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Diferencia entre Microprocesador y Microcontrolador Microprocesador forma parte de un sistema mayor Microcontrolador es un sistema autónomo e independiente Un microprocesador es un dispositivo digital diseñado para manipular información Tienen 3 buses .- Datos: Contiene el flujo de información .- Direcciones: Controla la posición actual en memoria .- Control: Regula el flujo de información para evitar conflictos
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Ventajas de un microcontrolador Fiabilidad: reemplazo de gran cantidad de elementos por uno sólo disminuyendo riesgo de averías y menos calibraciones Tamaño: disminución del volumen y stocks Flexibilidad : cambios en la programación La arquitectura de un procesador consiste en el conjunto de características que lo identifican. Describe de manera resumida las capacidades y posibilidades de operación del microprocesador. Se clasifican según Hardware y Software
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Arquitectura Básica
Bus de Datos
Bus Interno
U I B
Unidad de Control
Registro de Banderas
Unidad Aritmética Lógica
Registros de Uso General
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Programación El microprocesador no tiene memoria interna Se debe conectar con una memoria externa que contenga el programa El programa se guarda como datos en la memoria, un dato leido puede ser información o un código de operación El procesador lee de manera ordenada cada punto de la memoria del programa
Memoria Una memoria es un dispositivo capaz de guardar el estado de un bit durante cierto tiempo Posee casillas o localidades cada una con la capacidad de almacenar un dato generalmente de tamaño byte (8 bits) Tiene un bus de direcciones para identificar cada una de las localidades. Tiene un bus de datos por donde entran y salen datos a cada una de las casillas o localidades de la memoria.
IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Aplicaciones
Electrodomésticos (horno microondas, lavadora, nevera, stereo, etc) Equipos portátiles (teléfonos, pda, agendas digitales, etc) Juguetes Instrumentación Automóviles Control Industrial Robótica Medicina Sistemas de seguridad
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Tipos de memorias RAM Random Access Memory Almacenamiento temporal de datos Pierde la información capturada cuando se le desconecta alimentación
ROM Read Only Memory Memoria que conserva el contenido aun cuando se desconecta
IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Tipos de memorias ROM EPROM (Erasable-Programable Read Only Memory) Funciona con el principio de fusibles Puede borrarse mediante luz ultravioleta Se reprograma eléctricamente EEPROM (Electrically Erasable-Programable Read Only Memory) Funciona con el principio de fusibles Puede borrarse con impulsos eléctricos controlados Se reprograma eléctricamente Flash Funciona igual que la EEPROM pero a una velocidad de operación y programación mayor.
IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Definición de periférico Dispositivo externo que intercambia datos con el procesador. La comunicación entre el procesador y el periférico está regulada por el procesador de acuerdo con los métodos: POLING: El procesador revisa ordenadamente todos los periféricos para atender a cada uno de ellos secuencialemente. INTERRUPCIONES: El periférico que está listo para ser atendido por el procesador solicita una “interrupción” de la ejecución del programa para que el procesador lo atienda.
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Ejemplos de periféricos Convertidor analógico a digital Puerto bidireccional de comunicación serie Salidas de modulación de ancho de pulso
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Convertidor de analógico a digital Dispositivo que recibe una señal analógica y la muestrea con cierta frecuencia para generar un valor digital representativo de la señal al momento de la toma de la muestra. Tiene un voltaje de referencia que se utiliza para definir la escala de valores digitales. La salida se presenta como un código de varios bits, estos se leen todos al mismo tiempo. Están diseñados para generar una señal de interrupción cada vez que han concluido una conversión a digital.
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Microcontrolador Sistema electrónico que integra las capacidades de una arquitectura especifica de microprocesador, junto con las capacidades de acople a otros sistemas que brindan los periféricos, todo, en un solo empaquetado. Se logra integración, disminución del costo en implementación de aplicaciones especificas.
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Ventajas del uso de microcontroladores Reducción de la cantidad de espacio en la implementación de un diseño dado. Reduce el costo de implementación. Permite desarrollo de aplicaciones especificas de manera mas rápida y eficiente. Los fabricantes dan mucho soporte sobre las aplicaciones más comunes. Se adaptan mejor a aplicaciones especificas
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Convertidor analógico Digital (ADC) Permite que el sistema microcontrolador
pueda procesar una variable
analógica Valor mínimo y máximo ajustable Resolución: indica la precisión de la conversión realizada Entre más cantidad de bits, más es la resolución del convertidor Requieren configuración a través de registros especiales del microntrolador
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Fabricantes
MICROCHIP: Familas de PIC´s MOTOROLA: Familia 68XX ATMEL TEXAS INSTRUMENTS PHILIPS HITACHI Intel: Familias 80XX
TOSHIBA NEC ZILOG SAMSUNG SONY NATIONAL SEMICONDUCTOR
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES Aplicaciones Comunes Sistemas de Monitoreo y control de variables analógicas Computadoras de uso especifico Sistemas de desarrollo y experimentación Sistemas embebidos
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES
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IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES REFERENCIA Dorf Richard C y Bishop Robert H. 2007. Sistemas de Control modernoPearson Educación, S.A Madrid. 10ma Edición Kuo C Benjamin. 1996. Sistemas de control Automático. Impreso en México Carlos Valdivia Miranda , 2012. SISTEMAS DE CONTROL CONTINUOS Y DISCRETOS John F. Wakerly. 2001. Diseño digital: principios y prácticasHernández Gaviño Ricardo. 2010. Introducción a los sistemas de control: Conceptos, aplicaciones y simulación con Matlab. Pearson Educación, México, Wildi Theodore. 2007. Máquinas Eléctricas Y Sistemas De Potencia. Sexta Edición. Pearson Educación, México, Rodríguez Rubio, Francisco y Manuel López Sánchez Jesús. 1996. Control adaptativo y robusto. Impreso en España
Ronald J. Tocci,Neal S. Widmer. 2003. Sistemas digitales: principios y aplicaciones Dr. William Rojas
IMPLANTACIÓN DE CONTROLADORES REFERENCIA Sanchis Llopis Roberto. 2002. Problemas resueltos de teoría de sistemas Katsuhiko Ogata . 1995. Ingeniería de control moderna Tercera edición. Universidad Nacional Autónoma de México. Edición. Pearson Educación, México Enrique Sanchís. 2002. Sistemas electrónicos digitales: Fundamentos y diseño de aplicaciones Allen-Bradley, Controladores Programables, Referencia del conjunto de instrucciones. CIED, Curso básico PLC, CIED, Curso intermedio PLC, PLC I/O Interface for Allen Braley Remote I/O Bus User Manual PLC I/O Interface for GE Genius Bus User Manual PLC Simulator
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