Sistemas de Control y Microprocesadores

Sistemas de Control Automático

Características de los Sistemas de Control

Rapidez: Tiempo que tarda la variable controlada en alcanzar un valor dentro de los límites propuestos.
Precisión: Diferencia entre el valor esperado (consigna) y el valor real de la variable controlada.
Robustez: Sensibilidad de la variable controlada a perturbaciones externas.
Estabilidad: Ausencia de oscilaciones inadmisibles en la variable controlada.

Control PID

El control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) proporciona una actuación (u) en función del error (e) entre la consigna y la variable controlada.

• Aumentar la ganancia (Kp): Disminuye el error, pero aumenta la inestabilidad.
• Incluir control integral (Ki): Lleva el error a cero, pero aumenta la lentitud y la inestabilidad.
• Incluir control derivativo (Kd): Aumenta la velocidad y mejora la estabilidad, pero es sensible al ruido.

Vc = Kp*E + Kd*dE/dt + Ki*∫Edt, donde:
Kp = Ganancia proporcional
Kd = Constante de derivación
Ki = Constante de integración

Representación de la Información

Formatos Numéricos

• BN (Binario Natural): Números enteros positivos representados en base 2.
• C2 (Complemento a 2): Números enteros con signo representados en base 2.
• BCD (Decimal Codificado en Binario): Formato decimal codificado en binario, con o sin signo.
• ASCII (Código Estándar Americano para el Intercambio de Información): Código para representar caracteres alfanuméricos y signos.
• Hexadecimal: Formato compacto de base 16.
• Coma fija: Formato numérico con parte entera y parte decimal de posición fija.
• UNICODE: Código de 16 bits para representar símbolos, letras y números.
• Coma flotante: Código que representa números reales en notación científica.

Contadores

Contador Reversible

Un contador reversible es un circuito que puede contar hacia arriba o hacia abajo.

Entradas

• Reloj: Señal que sincroniza el conteo.
• Sentido de la cuenta: Señal que determina si el conteo es ascendente o descendente.
• Reset: Señal que reinicia el contador a un valor predeterminado.

Salidas

• Bits de cuenta: Representan el valor actual del contador, según el código utilizado (BN, BCD, etc.).

Lógica Cableada y Programada

Lógica Cableada

En la lógica cableada, las funciones lógicas se implementan mediante la conexión física fija de puertas lógicas.

Ventajas y Desventajas

• Ventajas: Velocidad y seguridad de funcionamiento.
• Desventajas: Difícil de modificar, complejidad y tiempo de diseño.

Lógica Programada

En la lógica programada, la estructura física del circuito no cambia, y las funciones lógicas se implementan mediante un programa que se ejecuta en un dispositivo programable (e.g., microcontrolador, FPGA).

Biestables

Biestable T

Biestable T Asíncrono

La salida cambia de estado (0 a 1 o de 1 a 0) cuando la entrada T cambia de 0 a 1.

Biestable T Síncrono

La salida cambia de estado (0 a 1 o de 1 a 0) cuando la entrada de reloj (C) cambia de 0 a 1 y la entrada T está en 1. Si T=0, la salida no cambia cuando cambia C.

Sistemas de Control

Componentes de un Sistema de Control

1. Comparador: Compara la consigna (Vc) con la variable controlada (Vs) y genera una señal de error (A).
2. Controlador: Recibe la señal de error (A) y genera una acción de control (B).
3. Actuador: Recibe la acción de control (B) y la convierte en una señal de salida (C) que se aplica al proceso.
4. Proceso: Es el sistema que se está controlando. Recibe la señal de entrada (C) y genera la variable controlada (Vs).
5. Medidor: Mide la variable controlada (Vs) y la convierte en una señal (D) que se realimenta al comparador.

Vd representa una perturbación externa que puede afectar al proceso.

Memorias

Memoria No Volátil (ROM)

En la memoria ROM se almacenan el programa o código y las constantes. La información se mantiene incluso cuando se desconecta la alimentación.

Memoria Volátil (RAM)

En la memoria RAM se almacenan las variables. La información se pierde cuando se desconecta la alimentación.

Convertidores Analógico-Digital (ADC)

Características de los Convertidores

• Velocidad: Número de conversiones por segundo.
• Resolución: Número de bits o intervalos en los que se divide la escala analógica.
• Polaridad: Rango de la tensión analógica (bipolar o unipolar).
• Código: Formato numérico de la salida digital (BN, C2, BCD, etc.).

Tipos de Convertidores

• Conversión directa: Alta velocidad de conversión, baja resolución y complejo.
• Rampa: Alta resolución y simple, pero muy baja velocidad de conversión.
• Aproximaciones sucesivas: Velocidad de conversión intermedia y resolución intermedia.

Memorias de Acceso Secuencial y Aleatorio

Memorias de Acceso Secuencial

• Tipos: FIFO (primero en entrar, primero en salir) y LIFO (último en entrar, primero en salir).
• Características: Memorias de lectura/escritura, pequeña capacidad, para acceder a un dato se requiere pasar por los datos precedentes.

Memorias de Acceso Aleatorio (RAM)

• Características: Memorias de lectura/escritura, gran capacidad, se puede acceder a cualquier dato directamente mediante su dirección.

Microprocesador

Componentes del Microprocesador

• RAM: Almacena variables.
• ROM: Almacena el programa y las constantes.
• Unidad Aritmética y Lógica (ALU): Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
• Descodificador de instrucciones: Interpreta las instrucciones y establece las secuencias para su ejecución.
• Registro de instrucciones: Almacena temporalmente la instrucción y el operando.
• Acumulador: Guarda el resultado de una operación lógica o aritmética.
• Contador de programa: Almacena la dirección de la próxima instrucción a ejecutar. Se incrementa en cada instrucción.
• Registro de direcciones: Señala la dirección de la memoria de programa o de datos.

Reloj del Microprocesador

El reloj es la señal que sincroniza los circuitos síncronos internos del microprocesador. En cada ciclo de reloj se ejecuta un micropaso para la ejecución de una instrucción.

Operando

El operando indica la dirección de memoria de uno de los operandos de una instrucción. También puede indicar una constante.

Estructura de una Instrucción

Una instrucción de suma consta de dos partes: el código de operación (que indica la operación a realizar, en este caso suma) y el operando (que contiene la dirección de memoria donde se ubica uno de los sumandos).

Registro de Direcciones

El registro de direcciones está conectado al bus de direcciones e indica una dirección de memoria. Se carga con el contenido del contador de programa o con el argumento de una instrucción. Otras partes que pueden modificar el contenido del registro de direcciones son las instrucciones de salto y las instrucciones que trabajan con punteros.

Tipos de Instrucciones

Una instrucción se compone de un código de instrucción y un operando. El código de instrucción indica la operación a realizar y el operando indica la dirección de una de las variables con las que se opera. Algunos tipos de instrucciones son:

• Instrucciones de suma: El operando será una dirección de memoria que contiene uno de los operandos.
• Instrucciones de movimiento: El operando será la dirección hacia o desde donde se mueve un valor.
• Instrucciones de parada: No tienen operando.

Unidad Aritmética y Lógica (ALU)

La Unidad Aritmética y Lógica (ALU) es la parte del microprocesador donde se realizan las operaciones aritméticas (suma, resta, etc.) y lógicas (AND, OR, NOT, etc.).

Técnicas de Medida

Medida de Caudal

• Placa orificio
• Coriolis
• Vortex

Medida de Nivel

• Presión hidráulica
• Flotador-desplazamiento
• Flotador-fuerza

Reducción de Errores en la Medida de Temperatura con Termopares

Los errores de medida de temperatura con termopares se pueden reducir mediante la unión fría. La unión fría es una referencia de temperatura conocida que se utiliza para compensar los cambios de temperatura en los cables del termopar. Los errores de los termopares intermedios se compensan y anulan al ser termopares de los mismos metales.

Medida de Magnitudes con Diferentes Técnicas

• Disco óptico con código Gray: Medida angular absoluta.
• Potenciómetro: Medida angular o lineal absoluta.
• Galga extensométrica: Deformaciones (fuerza, presión).
• Resistencia NTC (coeficiente de temperatura negativo): Temperatura.