1. Conceptos

A lo largo del tema utilizaremos una serie de conceptos que es necesario conocer:

Importante

  • Variable del sistema: Toda magnitud física susceptible de ser sometida a vigilancia y control que define el comportamiento de un sistema (velocidad, temperatura, posición,…).
  • Entrada: Excitación que se aplica a un sistema de control desde un elemento externo, al objeto de generar una respuesta.
  • Salida: Respuesta proporcionada por el sistema de control al estímulo de la entrada.
  • Perturbación: Señal no deseada que modifica adversamente de modo imprevisto el funcionamiento del sistema, pueden ser internas o externas al propio sistema.
  • Planta: Sistema sobre el que deseamos realizar el control.
  • Sistema: Conjunto de dispositivos que actúan interrelacionados para realizar el control. Los sistemas de control reciben la información facilitada por los sensores y, tras ser procesada, se utiliza para controlar los actuadores.
  • Entrada de mando: Señal externa al sistema que condiciona su funcionamiento.
  • Señal de referencia: Señal de entrada que utilizamos para calibrar al sistema.
  • Señal de error: Señal obtenida en la salida del comparador entre la señal de referencia y la señal realimentada.
  • Señal activa: cuando la señal de error resultante del comparador está muy atenuada, es necesario amplificarla para convertirla en una señal capaz de activar los distintos componentes del sistema.
  • Unidad de control: Controla la salida en función de una señal activa.
  • Unidad de realimentación: Conjunto de dispositivos que captan la variable controlada, la acondicionan y llevan al comparador.
  • Transductor: Elemento que transforma una magnitud física en otra interpretable por el sistema.

Dependiendo de la naturaleza de los procesos, los sistemas de control pueden ser:

Imagen en INTEF. Licencia CC
  • Sistemas naturales: Por ejemplo el control de la temperatura del cuerpo humano, por medio de la transpiración. La entrada del sistema es la temperatura habitual de la piel, y la salida, su temperatura actual. Si existe una señal de error, se pone en funcionamiento el proceso de activar la sudoración para que, por evaporación, se produzca un enfriamiento de la piel, cuando comienza a descender la temperatura la señal de error se atenúa lo que provoca la disminución de la secreción de sudor.
  • Sistemas realizados por el hombre: Por ejemplo el control de la temperatura de una habitación por medio de un termostato. La entrada del sistema es la temperatura de referencia considerada confortable, que se introduce en el termostato (comparador), la salida del sistema es la temperatura de una habitación. Si en la salida del comparador se tiene una señal de error, ésta activará los dispositivos pertinentes para poner en funcionamiento los medios adecuados para corregir ese error, que continuarán actuando mientras persista la señal de error.
  • Sistemas mixtos: Es el caso del control de la dirección de un automóvil. La entrada sería la dirección de la carretera, y la salida la dirección del automóvil. Por medio del cerebro, los ojos, las manos….., y también el vehículo, el conductor gobierna y corrige la salida para ajustarla a la entrada.

Pregunta Verdadero-Falso

Selecciona la opción correcta en cada uno de los casos:

Pregunta 1

La señal que se utiliza como referencia para calibrar el sistema se llama señal de calibración

Sugerencia

Pregunta 2

El sudor es un sistema de control realizado por el hombre

Sugerencia

Pregunta 3

Los elementos que toman el valor de una magnitud y lo transforman en un nuevo valor de una nueva magnitud, proporcional al primer valor se llaman transductores

Sugerencia

Pregunta 4

Cuando fijamos la temperatura de la calefacción de nuestra casa a través del termostato, estamos introduciendo en el sistema la señal activa.

Sugerencia

TIPOS DE SEÑALES

La comprensión de los sistema de control hace necesaria la introducción de una nueva definición, el cocepto de señal:

Actividad

Señal: Variación en el tiempo de una magnitud física, que permite transmitir información.

Las señales pueden ser de dos tipos:

  • Analógicas: Pueden adquirir infinitos valores (el conjunto de números reales) en cualquier intervalo continuo de tiempo. La variación de la señal constituye una gráfica continua.
  • Digitales: Pueden adquirir únicamente valores concretos, es decir, no varían a lo largo de un cierto intervalo de tiempo. La variación de la señal constituye una gráfica discontinua Por ejemplo, el estado de un interruptor sólo puede tener dos valores (0 abierto, 1 cerrado) y en general pueden estar representadas por cualquier elemento dual: encendido/apagado, conduce/no conduce, conectado/desconectado, nivel alto/nivel bajo...

A cada valor de una señal digital se le llama bit resultando ser esta la unidad mínima de información.

Imagen de elaboración propia

Cualquier sistema de regulación y control basado en un microprocesador va a ser incapaz de interpretar señales analógicas, ya que sólo utiliza señales digitales.

Esto hace que sea necesario necesario traducir, o transformar en señales binarias las señales analógicas.

Este proceso recibe el nombre de digitalización o conversión de señales analógicas a digitales y se realiza a través de sistemas llamados conversores Analógicos Digitales (ADC Analog-to-Digital Converter).

 

 

Actividad

Conversor Analógico Digital (ADC Analog-to-Digital Converter)

Sistema que lleva a cabo el proceso de conversión de una señal analógica en digital. El objeto de este procedimiento es por un lado facilitar el procesamiento de las señales y por otro hacerlas más inmunes a las interferencias.

Para realizar esta función, el conversor ADC tiene que ejecutar los siguientes procesos:

  1. Muestreo de la señal analógica.
  2. Cuantización de la propia señal.
  3. Codificación del resultado en código binario.
Imagen de elaboración propia

Muestreo, (sampling)

Consiste en tomar diferentes muestras del valor de la señal (tensión, presión,...), la frecuencia con que se realiza el muestreo, se denomina razón o tasa, cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, más fidelidad tendrá la señal digital obtenida.

En el proceso de muestreo se asignan valores numéricos que equivalen al valor de la señal en distintos instantes de tiempo, para así poder realizar a posteriori el proceso de cuantización.

Cuantización, (quantization)

Los valores continuos de la señal se convierten en valores discretos que corresponden a los diferentes niveles de valor (voltaje) que contiene la señal analógica original, lo que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el sistema numérico decimal, antes de ser convertidos al sistema binario.

Codificación

Los valores así obtenidos de la señal, son representados por códigos previamente establecidos, por lo general la señal digital es codificada en cualquiera de los distintos códigos binarios.

Así pues los conversores A/D y D/A, son circuitos electrónicos, cuyo objetivo es convertir una señal de entrada analógica en su versión digital, utilizando para ello valores discretos en el tiempo.

Existe un gran número de circuitos conversores A/D y D/A, que han ido surgiendo para subsanar deficiencias de conversores anteriores.

Pre-conocimiento

Observa el siguiente ejemplo gráfico. En él se parte de una señal analógica y a través de los tres procesos estudiados se obtiene una digital. Se han ido siguiendo los distintos pasos para convertir una señal eléctrica (tensión) analógica en otra digital codificada en binario natural (BCN).

Imagen de elaboración propia

Ventajas de la señal digital

La utilización de señales digitales frente a las analógicas ofrece múltiples ventajas. Entre ellas podemos destacar:

  • Si una señal digital sufre perturbaciones leves, se puede reconstruir y amplificar por medio de un sistema regenerador de señales.
  • Existen códigos binarios que son capaces de detectar e incluso corregir si se ha producido algún error en la captación y transmisión de información digitalizada.
  • Facilitan enormemente el proceso de procesamiento de las señales.
  • Puede ser reproducida un elevado número de veces (infinitas veces) sin perder calidad en el proceso.
  • Existe la posibilidad de aplicar técnicas de compresión de datos, sin pérdida de información de modo mucho más eficiente que con las señales analógicas.

El único inconveniente que supone su utilización se encuentra en el hecho de que se hace necesaria la utilización de un conversor A/D previa y una decodificación posterior en el momento de la recepción de la señal.