Tema 70 – Control programado – tipos, elementos y características

Indice.

1.- Introducción.

2.- El bucle elemental.

3.- Ventajas e inconvenientes de la utilización de computadores como elementos de control.

4.- Esquemas de control con computador.

4.1.- Control Secuencial.

4.2.- Control Secuencial Directo.

4.3.- Control Analógico.

4.4.- Control Descentralizado.

5.- Problemas del control con computador.

5.1.- Muestreo de señales.

5.2.- Reconstrucción de señales.

5.3.- Cuantificación de señales.

6.- Evolución futura de la robótica y de los sistemas de control.

1.- INTRODUCCIÓN.

El presente tema tiene por objetivo fundamental el mostrar las posibilidades que ofrece un computador como elemento de un sistema de control. Como se verá, este dispositivo de cálculo va a permitir abordar problemas que con los elementos convencionales de control son difícilmente resolubles. Esto, unido a la gran proliferación de dispositivos de cálculo digital, cada vez mejores y más asequibles, ha hecho que, con la inclusión de estos elementos, sea previsible en pocos años una total transformación de los sistemas de control. El conjunto de conocimientos necesario para un correcto diseño de sistemas de control por computador, se podría desglosar en dos campos: uno referente a los dispositivos de cálculo a incluir en estos, que denominaremos computadores de procesos, y otro relativo a las técnicas de análisis y diseño de los mismos.

Los sistemas de control digital se emplean en múltiples aplicaciones: para máquinas herramienta, procesos metalúrgicos, procesos químicos, control de aviones, control de tráfico de automóviles, etc. Los sistemas controlados automáticamente por computador se emplean para propósitos tan diversos como la medición de la refracción de objetivos del ojo humano y la frecuencia de chispa de un motor o la relación aire-combustible (dosado) de motores de automóviles. Estas últimas innovaciones son necesarias para reducir las emisiones contaminantes de los automóviles e incrementar la economía del combustible.

El esquema básico de un sistema de control con computador se muestra en la figura 1, en la que se puede apreciar que el computador realiza las funciones del comparador y del regulador.

Proceso

Computador

r(t) w(t) y(t)

Figura 1. Esquema básico de un sistema de control con computador.

2.- EL BUCLE ELEMENTAL DE CONTROL CON COMPUTADOR.

Antes de entrar a estudiar con más detalle un bucle de control con computador, es importante significar la clara diferencia existente en la figura 1 entre el bloque denominado computador y los otros dos. Mientras en estos las entradas y salidas son señales que toman valor en todo instante de tiempo, el computador acepta entradas y genera salidas en instantes determinados de tiempo. Así pues el computador, a partir de la medida del captador en un cierto instante, calcula el valor de la entrada al proceso y, en un instante posterior, la genera, repitiendo este proceso cada cierto período de tiempo.

Los sistemas en los que, como el computador, su entrada y salida sólo se considera en determinados instantes de tiempo, se denominan discretos, a diferencia de los continuos caracterizados porque las señales a ellos asociados toman valor en todo instante de tiempo. La denominación de sistema digital, ya específica de los computadores, suma a la idea de sistema discreto, la transformación de los valores reales de las variables en valores numéricos, con un número fijo de cifras definido por las características del computador.

Los sistemas de control con computador como los esquematizados en la figura 1 tienen pues dos tipos de elementos, los discretos y los continuos. La diferencia entre ellos estriba en sus señales de entrada y salida. En los primeros son secuencias de números, mientras que en los segundos son funciones del tiempo. Para formar un conjunto con estos dos tipos de elementos es necesario incluir unos elementos capaces de transformar estas secuencias en señales continuas y viceversa. Estos elementos se denominan convertidores.

Las necesidades de transformación exigen la existencia de dos tipos de convertidores, los convertidores analógico-digitales (CAD) y los digitales-analógicos (CDA). Esta denominación responde al sentido de la transformación que realizan. Con estos convertidores, el esquema de un sistema de control con computador es el de la figura 2 la cual indica, asimismo, el carácter analógico o discreto de las distintas señales de entrada y salida de los bloques que aparecen en él.

Figura 2. Esquema de un sistema de control con computador

Los elementos que en este esquema aparecen se pueden agrupar en tres: los continuos, los discretos y los híbridos. Estos últimos son fundamentalmente los convertidores. El conjunto de ellos se denomina interfase. La figura 3 esquematiza estos elementos.

Secuencias Señales

analógicas

Figura 3. Diagrama de flujo de señales.

3.- VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA UTILIZACIÓN DE COMPUTADORES COMO ELEMENTOS DE CONTROL.

Como ya se ha dicho, el computador en un sistema de control permite mejorar la calidad de éste, por cuanto es capaz de realizar funciones de control sin apenas ninguna limitación en cuanto a complejidad. Esta podría ser la primera ventaja del control con computador sobre e! control con reguladores convencionales.

Como segundo ventaja se puede mencionar la facilidad de cambiar la estrategia de control modificando el programa que la ejecuta. Este cambio puede realizarse no sólo según las órdenes del operador, sino también en base a las órdenes generadas por el mismo computador, que mida la calidad del sistema de control y, según éste, corrija los parámetros del regulador hasta alcanzar un nivel aceptable en el sistema de control.

En cuanto a precisión, las operaciones de un computador digital son más exactas que las realizadas con dispositivos analógicos. Un computador digital maneja corrientemente números con 8 ó 10 cifras exactas, mientras que operando analógicamente dIfícilmente se consiguen más de tres. Por otra parte, en dispositivos analógicos son frecuentes errores debidos a derivas, cambios de temperatura, saturaciones, etc.

Finalmente, como una ventaja más de los computadores digitales en el control, se debe considerar la posibilidad de realizar otras funciones complementarias al control, tales como almacenamiento de datos, análisis estadísticos, etc., aparte de otras ajenas al mismo que se deseen efectuar como cálculo científico, contabilidad, gestión de almacén, etc.

En el apanado de los inconvenientes cabe citar en primer lugar el precio. Es más caro usar un computador como elemento de control que los reguladores de tipo convencional. Este inconveniente se puede salvar utilizando un computador para llevar a cabo varios bucles de control, según se indica en la figura 4. Con respecto al precio, se puede decir que, mientras con tecnología convencional aumenta linealmente desde cero con el número de bucles, utilizando un computador, si bien hay un coste fijo, el incremento de precio por bucle sería menor. La figura 5 da idea de esta relación. El número de bucles correspondiente al punto C varía con el computador utilizado. El uso de microprocesadores reduce considerablemente este valor siendo previsible el que sea económicamente rentable la sustitución, incluso a nivel de un sólo bucle.

Otros inconvenientes de uso de computadores en sistemas de control son los derivados de situaciones de avería. La tradición de la utilización de reguladores de tipo electrónico o neumático convencional ha dotado a los usuarios de estos sistemas de personal de mantenimiento cualificado cuya reconversión es difícil. Por otra parte, el utilizar un computador para llevar varios bucles de control (en muchos casos todo un proceso) hace que un fallo lleve consigo el desajuste de todos los bucles y la necesidad de parar el proceso de producción. Para salvar estos inconvenientes de averías, los estudios se orientan, más que a facilitar su pronta reparación, a evitar que estos se produzcan, siendo la fiabilidad de los sistemas uno de los factores que con más intensidad condicionan la elección de éstos.

Proceso 1

Interfase

Computador

u₁ y₁

Proceso 2

u₂ y₂

Proceso 3

u₃ y₃

Figura 4. Computador gestionando varios procesos simultáneamente.

Con computador

Coste

Nº de bucles

Figura 5. Diagrama de comparación de costes.

4.- ESQUEMAS DE CONTROL CON COMPUTADOR

Los computadqres de procesos realizan operaciones sobre los mismos que se pueden agrupar en tres niveles: tratamiento de dalos, supervisión y control. Centrándonos sobre el tercer grupo de operaciones, las de control, cabe considerar estas a distintos niveles y efectuadas según diferentes esquemas. Se puede hablar de cuatro esquemas de control:

a) el secuencial o lógico.

b) el control digital directo (DDC)

c) el control analógico-digital (DAC)

d) el control descentralizado.

Todos estos tipos de control están caracterizados por un doble sentido de transmisión de información entre computador y proceso. El orden en que se han citado estos esquemas de control responde a una complejidad creciente impuesta, en la mayoría de los casos, por una necesidad mayor de precisión y de fiabilidad de funcionamiento.

4.1. CONTROL SECUENCIAL

El control secuencial o lógico está caracterizado porque las señales intercambiadas entre el proceso y el computador son digitales.

La forma de estas señales hace que los accionadores y captadores sean dispositivos con dos estados, tales como válvulas que permanecen abiertas o cerradas, sensores que se disparan cuando la variable medida sobrepasa un valor, etc.

El computador, en este tipo de control, sustituye, con un programa que ejecuta, a un circuito lógico de tipo secuencial. Esta sustitución se está realizando en el campo industrial de una manera extraordinariamente rápida especialmente usando microprocesadores. Es frecuente denominar a los sistemas lógicos de control con computador sistemas de lógica programada, diferenciándolos así de los sistemas con circuitos lógicos convencionales, que se denominan de lógica cableada.

Las ventajas de la lógica programada sobre la cableada son su flexibilidad en cambios de estrategia de control, por cuanto estos se reducen a cambios en un programa, y la comodidad del mantenimiento, puesto que es más sencilla la revisión de un programa que la de un circuito, con sus componentes, soldaduras, contactos, etc. El inconveniente mayor de la lógica programada es que cualquier avería afecta a la totalidad del sistema de control, no permitiendo funcionamientos parciales del mismo.

4.2. CONTROL DIGITAL DIRECTO

Es frecuentemente conocido por las siglas DDC, que proceden de su denominación anglosajona (Direct Digital Control). Su acción de control responde a la idea expuesta en este capítulo como motivación del uso de computadores para control. La figura 6 esquematiza este tipo de control, indicando los componentes necesarios para su implantación.

Figura 6. Control digital directo.

Como se puede ver en ella, se utiliza un computador para llevar en este caso dos bucles de control, aunque normalmente serían muchos más. Aparece en el esquema un elemento no mencionado hasta el momento: el multiplexor. Su objetivo es alternar la toma de muestras del convertidor analógico-digital entre las distintas salidas de los captadores permitiendo con un solo convertidor muestrear distintas señales. Su inclusión en el esquema obedece a razones económicas, debidas al precio relativamente elevado de los convertidores analógico-digital. Por las mismas razones económicas no es usual multiplexar las señales procedentes de los convertidores digital-­analógico, existiendo, en general, uno por bucle de control.

Todas las ventajas e Inconvenientes relativos al control con computador expuestos en el epígrafe 3 pueden ser mencionados para el control digital directo. Para recalcar alguno de los puntos citados, es interesante insistir en los problemas de fiabilidad. La casi siempre segura parada de todo el proceso de fabricación ante cualquier avería, da una gran importancia a la protección de los sistemas frente a fallos de este tipo. Una solución adoptada en gran número de casos es duplicar el computador con posibilidad de que, en caso de fallo, un segundo realice las funciones del que queda momentáneamente fuera de servicio. Esta solución, que puede resultar cara, no lo es en grandes plantas en las que el precio del computador es despreciable frente al de la planta. Otro tipo de protección ante fallos es el control analógico-digital, que se expone en el siguiente epígrafe.

4.3. CONTROL ANALOGICO-DIGITAL

Similarmente al control digital directo, es frecuentemente conocido por las siglas DAC (Digital Analog Control). Como su nombre indica, es un sistema híbrido, ya que tiene parte analógica y parte digital. La figura 7 esquematiza un sistema de control de estas características.

Como puede verse en ella, el computador, según criterios prefijados, genera la señal de referencia de un sistema de control convencional. Ello hace que cuando este dispositivo de cálculo falle, el bucle de control siga funcionando con los reguladores analógicos. Por otra parte, el computador permite una cierta flexibilidad en el sistema de control, ya que realiza la generación de la referencia del regulador analógico en base a las medidas del proceso.

Para una mayor comprensión de este sistema de control, en la figura 8 se aísla un bucle. El esquema mostrado en la misma es uno convencional de control por realimentación múltiple con el regulador del bucle exterior implantado con un computador. Este regulador permite dotar de flexibilidad al conjunto, al ser fácilmente modificables sus parámetros; no obstante ésta no es tan grande como la que permite un sistema DDC. Por otra parte, el DAC presenta los inconvenientes de los sistemas convencionales en cuanto a falta de precisión, derivas, desajustes, etc. La carestía de este esquema sobre el DAC puede no ser demasiada si se implanta el sistema de control sobre uno ya controlado con instrumentación convencional, ya que ésta serviría igualmente para el nuevo sistema de control. Aún tratándose de una planta de nuevo diseño, el DAC es aconsejable por la seguridad ante fallos que introduce en el esquema de control.

Figura 7. Control analógico digital.

4.4. CONTROL DESCENTRALIZADO

Computador

Figura 8. Bucle aislado del DAC.

Como un paso más en el diseño de sistemas de control de mayor calidad, se puede pensar en hacer que los reguladores analógicos de la figura 7 lo fueran también digitales. Desde un punto de vista tecnológico esto no entraña gran dificultad, puesto que estos reguladores digitales podrían ser implantados con microprocesadores que, como se ha dicho, tienen un bajo coste. Se llega así a una estructura de control en la que determinadas funciones se han descentralizado del computador central, realizándose en unos terminales inteligentes. La figura 9 muestra un esquema de este tipo de control.

Una característica que debe presentar una estructura de este tipo es el poseer una capacidad de reconfiguración ante fallos, de tal manera que cuando algún elemento quede fuera de servicio, el conjunto se reconfigure asignando las funciones que este realizaba a otro u otros elementos.

Figura 9. Control descentralizado.

La idea de sistema de control descentralizado mostrada en la figura 9 puede ser generalizada con una descentralización a varios niveles, llegándose a una estructura piramidal como la de la figura 10, o con mayor número de niveles.

Como se puede ver, el proceso a controlar podría ser una fábrica con dos secciones de fabricación, cada una de ellas con su propio equipo digital de control, y con una coordinación entre ambas ejercida por un computador que a su vez supervisa el funcionamiento de ambas. La asignación de funciones a los diferentes niveles es un trabajo que presenta interesantes problemas si se quiere realizar con el máximo aprovechamiento del equipo de control. Una de las formas de realizarlo es estableciendo una prioridad de funciones de control y asignando la realización de estas funciones, según esta prioridad, a los distintos niveles. El sistema de control así obtenido se denomina Jerarquizado por la jerarquía de funciones de control y niveles de acción que se establece.

		Funciones Nivel I: – Planificación – Estudio de mercados – Control de almacén Nivel II: – Secciones de fabricación Nivel III: – Control de Variables.

Figura 10. Descentralización a varios niveles

La figura 10 muestra un sistema jerarquizado desde el punto de vista físico, es decir, con una descentralización de elementos de control. En algunos casos no existe tal descentralización física, estableciéndose únicamente una jerarquía a nivel de programa que ejecuta un mismo computador. Una posible jerarquización de este tipo, para el caso de sistemas de control, es la representada en la figura 11.

En ella, el conjunto formado por cada proceso y sus reguladores del bucle interno y externo, situados en los niveles l y II, forman un conjunto de control con realimentación múltiple, similar al mostrado en la figura 8. El regulador del bucle interior tiene sus parámetros ajustables. El valor de éstos es evaluado por un algoritmo de optimización que las calcula en base a órdenes dadas por el coordinador de la producción de los dos procesos. Planificando esta producción Se encuentra la dirección, la cual rige el sistema teniendo en cuenta factores exteriores, tales como posible mercado del producto, materias primas, estado del almacén, personal, etc.

	Nivel V Nivel IV Nivel III Nivel II Nivel I

Figura 11. Sistema jerarquizado.

5.- PROBLEMAS DEL CONTROL CON COMPUTADOR

Es necesario plantearse una serie de problemas que nacen de las diferencias entre un sistema de control convencional y uno basado en un computador. La aparición en la figura 2 de los convertidores y del computador, en relación con el esquema de control convencional, exige el estudio de tres problemas relativos a la transformación que las señales sufren al pasar por ellos:

muestreo, reconstrucción y cuantificación.

5.1. MUESTREO DE SEÑALES

El muestreo de una variable, como su propio nombre indica, es la operación de toma de muestras de la misma. Esta idea general de muestreo, referida a sistemas de control con computador, se concreta en la toma de muestras de una señal continua en sucesivos instantes de tiempo, a diferencia de otros procesos de muestreo donde el tiempo no es una variable a considerar (por ejemplo las muestras estadísticas para calcular la altura media de una población).

El muestreo de señales, único que aquí se considera, consiste en la construcción de secuencias a partir de señales continuas, tomando como valores de las secuencias los correspondientes a las señales en consecutivos instantes de tiempo. Esta operación, en el control

		muestreo

Figura 12. Muestreo

de procesos con computador, resulta necesaria, ya que, como ya se dijo, el computador es un elemento discreto por naturaleza, admitiendo únicamente secuencias como entrada de datos.

El caso más interesante de muestreo es el periódico, que se caracteriza porque los instantes de toma de muestras están regularmente espaciados – este es el que se utiliza fundamentalmente en el control de procesos por computador -. Lógicamente, éste muestreo estará caracterizado por el intervalo de tiempo entre dos muestras sucesivas T, que denominaremos periodo de muestreo, llamando a su inverso frecuencia de muestreo (muestras por unidad de tiempo).

El elemento que realiza este proceso se denomina muestreador, siendo la forma usual de representarlo en los diagramas de bloques la indicada en la figura 13.

Figura 13. Muestreador

En este bloque, la salida está relacionada con la entrada por la expresión:

X_k = X(KT)

Intuitivamente se puede apreciar que el periodo de muestreo va a jugar un papel fundamental en este proceso, y de él dependerá en gran medida el que se pierda información o no en el mismo (cuanto más pequeño sea, menos información se pierde en el proceso).

Para que el proceso de muestreo no suponga ninguna pérdida de información, es necesario que la secuencia obtenida como consecuencia del mismo, sea suficiente para reconstruir de nuevo la señal continua. Las condiciones que se deben cumplir en el proceso de muestreo para que se pueda realizar esta reconstrucción, se fijan en el teorema del muestreo:

Si una señal continua x(t) tiene transformada de Fourier X(w), cumpliendo que X(w) = 0 para valores |w|>w₀ , entonces dicha señal estará completamente determinada por la secuencia {X_k} obtenida por muestreo de la misma con periodo T=p/w₀.

5.2. RECONSTRUCCION SE SEÑALES

La operación contraria al muestreo es igualmente necesaria en sistema de control con computador. Tal operación consiste en construir, a partir de la secuencia {x_k} generada con el computador, una señal continua x_r(t) con la que poder excitar el sistema continuo. El elemento en el cual se realiza esta operación se denomina bloqueador (figura 14).

Si a partir de una señal x(t), por muestreo, se obtiene una secuencia {x_k}, en el proceso de reconstrucción interesa que la señal reconstruida x_r(t) sea igual, o lo más parecida posible, a la señal x(t). Esto sólo será posible en unas condiciones ideales no realizables físicamente; En la realidad, el proceso de reconstrucción se tendrá que hacer aproximando estas condiciones, con lo que se introducirá un error en el mismo.

Figura 14. Bloqueador.

Figura 15. Esquema muestre ador-bloqueadon

5.3. CUANTIFICACION DE SEÑALES.

El tercer problema enunciado, el de cuantificación, tiene su origen en que el computador maneja números con un número limitado de cifras. Cuando una medida tiene que ser operada por este elemento, habrá que reconvertir su valor, limitando el número de sus cifras a las que admite éste. Esta limitación se realiza por truncación – despreciando las cifras que excedan de las que permite la capacidad del computador – o por redondeo – se asigna a todo valor el número inmediato inferior o superior, según lo próximo que esté a él. Este proceso de truncación o de redondeo hay que realizarlo no sólo al introducir el valor de una señal medida en el computador, sino también en las operaciones que den como resultado un número de cifras mayor que el admitido.

6.- EVOLUCION FUTURA DE LA ROBOTICA Y DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

La meta permanente de la robótica y de los sistemas de control es proporcionar una gran flexibilidad y un alto nivel de autonomía. Los dos conceptos de sistemas se han aproximado a esta meta por diferentes trayectorias de evolución. El robot industrial del presente se percibe como autónomo: una vez que se programa, normalmente no requiere intervención posterior. Debido a las limitaciones de los sensores, estos sistemas robóticos tienen una flexibilidad limitada para adaptarse a cambios en el ambiente de trabajo, lo cual es la motivación en la investigación de la visión del computador. El sistema de control es fácilmente adaptable, pero depende de la supervisión humana. Los sistemas robóticos avanzados se esfuerzan por adaptarse a las tareas mediante la retroalimentación (feed back) mejorada en los dispositivos sensores. Las áreas de investigación que se concentran en la inteligencia artificial, la integración sensorial, la visión de computadores y la programación de robots CAD/CAM fuera de linea, harán a los robots mas universales y económicos. – Los sistemas de control se dirigen hacia la operación autónoma como una mejora para el control humano. La investigación en el control de supervisión, los métodos de interfaz en máquinas para reducir la carga de trabajo del operador y la administración de bases de datos en computadores, pretende mejorar la eficiencia del operador. Muchas actividades de investigación son comunes a ambos sistemas y están dirigidas a la reducción de costos de implantación y la expansión del campo de aplicación. Estas tareas de investigación incluyen los métodos de comunicación mejoradas y los lenguajes de programación avanzados.

RESUMEN

La implantación del computador como elemento del sistema de control, ha proporcionado un extraordinario instrumento para resolver problemas complejos de control de difícil resolución por los métodos tradicionales. Un computador se puede usar para completar muchos cálculos durante el intervalo T de muestreo y para proporcionar una señal de salida que se usa para activar un actuador de un proceso.

Un computador de procesos cumple las siguientes funciones dentro del mismo: tratamiento de datos, supervisión y control.

El computador permite modificar más fácilmente la acción de control en un momento dado, cambiando simplemente el programa que lo implementa. Además, la precisión del bucle de control mejora ostensiblemente.

Sin embargo, el precio de la instalación aumenta, aunque se puede mejorar la economía del proceso utilizando el computador para otras labores distintas incluso del control de procesos.

Un sistema de control con computador está formado por dos tipos de elementos: los discretos y los continuos. Los primeros operan con secuencias – valores discretos – mientras que los segundos están caracterizados porque las señales a ellos asociados toman valor en todo instante de tiempo, siendo necesarios otro tipo de elementos que adecuen las señales de salida de uno y entrada de otro (convertidores)

Existen cuatro esquemas de control distintos: el secuencial o lógico, el control digital directo (DDC), el control analógico-digital (DAC) y el control descentralizado. El orden responde a una mayor complejidad del sistema de control impuesto por necesidades de fiabilidad y precisión.

La transformación que las señales experimentan al pasar por los elementos del sistema de control por computador, hace necesario el estudio de tres problemas que afectan al diseño del sistema: muestreo, reconstrucción y cuantificación. El muestreo consiste en la toma de muestras de una señal analógica para su tratamiento posterior en el computador. La reconstrucción es el problema inverso al muestreo: consiste en generar una señal continua a partir de la secuencia de valores de una señal muestreada. El problema de la cuantificación tiene su origen en que el computador trabaja con un número finito de cifras, por lo que es inevitable la situación de truncación o redondeo de los valores de las secuencias.

El futuro de los sistemas de control con computador se orienta hacia la robótica y hacia una mayor autonomía del sistema.