Fundamentos de control discreto
A continuación identificaremos los elementos que componen un sistema de control discreto, y listaremos sus ventajas y desventajas.
Es importante notar que normalmente analizamos las plantas o procesos a controlar por medio de modelos en tiempo continuo; por ejemplo, con ecuaciones diferenciales. Esto se debe a que es más fácil usar variables agregadas para describir el comportamiento de un sistema.
Por otro lado, es más fácil implementar un controlador por medio de un procesador digital, ya que se puede ajustar fácilmente el controlador, e incluso modificarlo.
Elementos de un control discreto
En la siguiente figura podemos ver un diagrama de un sistema de control discreto, donde podemos reconocer los diferentes elementos de un sistema de control discreto.
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| Figura: Componentes de un sistema de control discreto |
A continuación describiremos cada uno de los elementos a partir de la planta, la cual es el sistema ha controlar. Sobre la planta no haremos ahorita ninguna suposición, simplemente tiene una variable controlada (salida) y una variable manipulada (entrada).
El siguiente elemento, que consideraremos, es el sensor, el cual mide la variable controlada o salida y proporciona una señal eléctrica.
La señal obtenida por el sensor tiende a tener problemas con respecto a la potencia, la amplitud o la impedancia. Para reducir estos problemas , la señal pasa por un acondicionador de señal. Más aún, en un sistema de control discreto, el acondicionador de señal debe filtrar la señal por consideración a la frecuencia de muestreo.
Para la siguiente etapa, tenemos dos posibilidades: realizar la resta de la variable de referencia y la variable controlada antes o después de convertir la señal a digital. Optamos por hacerlo antes, ya que esta operación se puede incluir con un amplificador diferencial en el acondicionador de señal. Además, reduce el número de convertidores analógicos–digitales.
Por consiguiente, la siguiente etapa es el convertidor análogo–digital (ADC, por sus siglas en inglés), donde la señal analógica se cuantifica, es decir que obtenemos un valor en binario a partir del valor analógico. Además, como el proceso tarda un tiempo, se empieza introducir el tema de la latencia o retardo. Por otro lado, el valor obtenido está en la representación de punto fijo.
En el procesador digital es donde se ejecuta el programa que implementa la ley de control. La velocidad con que se ejecuta el programa introduce nuevas latencias o retardos e impone un límite superior sobre la frecuencia de muestreo máxima posible. Por ello tenemos que se usan microcontroladores en aplicaciones que manejan frecuencias bajas de muestreo, y procesadores digitales de señales cuando se requieren altas frecuencias de muestreo.
Una vez procesada la señal discreta, se debe transformar nuevamente a una señal analógica, lo cual se hace por medio de un convertidor digital–análogo (DAC, por sus siglas en inglés). En ocasiones se sustituye la señal analógica por un algún tipo de señal modulada, por ejemplo a través un modulador de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés), ya que posiblemente la etapa de potencia utilice este tipo de señal.
La etapa de potencia acondiciona la señal para poder ser utilizada por el actuador. Usualmente, por razones de eficiencia, la etapa de potencia consiste en amplificadores conmutados.
Finalmente, viene el actuador, el cual transforma la señal eléctrica para operar sobre la variable manipulada de la planta.
Ventajas y desventajas de un control discreto
Como ya mencionamos, es más fácil analizar una planta por medio de modelos en tiempo continuo; sin embargo la implementación de una ley de control es mucho más sencilla en un procesador digital. En la siguiente tabla, veremos las ventajas y desventajas de un sistema de control discreto.
| Ventajas | Desventajas |
|---|---|
| Flexibilidad para cambiar de estrategia | Pérdida de información debido al muestreo |
| Flexibilidad para cambiar el controlador | Pérdida de información debido a la cuantización |
| Flexibilidad para ajustar los parámetros del controlador | Introducción de retardo al sistema de control |
| Robustez ante cambios ambientales |
Conclusiones
Finalmente, una vez más recordamos que es más sencillo modelar en tiempo continuo las plantas o procesos, ya que es más fácil usar variables agregadas, por medio de ecuaciones diferenciales.
Sin embargo, también ya dijimos que es más sencillo implementar una ley de control por medio de un procesador digital. Esto se debe a que tenemos una mayor flexibilidad para cambiar de estrategia de control, cambiar el controlador, y ajustar los parámetros del controlador. Además, los controladores digitales son más robustos a cambios ambientales.
Por otro lado, tenemos desventajas de un sistema de control discreto; por ejemplo, la pérdida de información debido al muestreo y cuantización y la introducción del retardo en el sistema de control.