Controle Digital Introducao Vantagens e Aplicacoes

CEFETPR Controle Digital Prof Brero I 1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA CONTROLE DIGITAL INTRODUÇÃO O controle de sistemas físicos utilizando um computador digital está ficando cada vez mais comum Pilotos automáticos de aeronaves refinarias de óleo máquinas de papéis etc estão entre os exemplos Os controladores digitais são mais versáteis que os controladores analógicos O programa que caracteriza um controlador digital pode ser modificado para acomodar mudanças de projetos sem qualquer modificação de hardware Componentes digitais na forma de componentes eletrônicos transdutores e encoders são mais confiáveis do que seus equivalentes analógicos Entre outras vantagens podese citar Maior flexibilidade na programação Menor custo Mais compacto e mais leve Sofre menos efeito devido à ruído e distúrbios Mais confiável Sensibilidade melhorada VANTAGENS DO CONTROLE DIGITAL a Exatidão sinais digitais são representados com exatidão usando bits 0 e 1 O erro obtido é pequeno quando comparado a sinais analógicos onde ruído e variações da tensão de alimentação estão sempre presentes b Não há erros devido à variação dos componentes processamento digital de sinais de controle envolve adição e multiplicação de números digitais Erros devido à representação digital e cálculos aritméticos podem vir a ser desprezíveis dependendo das características do controlador Em contraste o processamento de sinais analógicos é executado usando componentes como resistores e capacitores cujos valores reais variam de forma significativa do valor nominal de projeto c Flexibilidade um controlador analógico é difícil de modificar ou reprojetar uma vez que foi implementado em hardware Um controlador digital implementado em firmware ou software é facilmente modificado sem a substituição do controlador original d Velocidade computadores velozes permitem amostrar e processar sinais de controle à altíssimas velocidades e reduzidos períodos de amostragens Pequenos períodos de amostragens significam que o controlador digital monitora a variável controlada quase continuamente e Custo avanços na tecnologia de construção de CIs possibilitou a obtenção de circuitos integrados melhores e mais rápidos a preços mais baixos DESVANTAGENS DO CONTROLE DIGITAL a Projeto do sistema a análise matemática e o projeto do sistemas de controle amostrados é muitas vezes mais complexo e mais tedioso quando comparado com um sistema de controle contínuo b Estabilidade do sistema em geral discretizar um sistema sem mudanças em nenhum parâmetro exceto pela adição do segurador de ordem zero degrada a margem de estabilidade do sistema CEFETPR Controle Digital Prof Brero I 2 c Informação do sinal o objetivo do segurador de ordem zero é reconstruir o sinal contínuo a partir do sinal discreto O sinal reconstruído na melhor das situações é uma aproximação do sinal contínuo então há perda de informações d Erros de software podem ocorrer erros de programação devido à complexidade do algoritmo implementado ESTRUTURA BÁSICA DE UM SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE Onde zohzero order hold segurador de ordem zero Para controlar um sistema físico ou um processo usando um controlador digital o controlador microcomputador deve 1 receber as medidas do sistema 2 processar estas medidas 3 enviar os sinais de controle ao atuador que efetua a ação de controle enviando o sinal de saída ao processo A planta e o atuador são analógicos e o controlador é digital Conversor digital para analógico DA transforma um código binário em um valor analógico Por exemplo no diagrama abaixo temos um conversor DA com quatro bits de entrada Então entrada Saída Vo D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 0 V 0 0 0 1 1V 0 0 1 0 2V 0 0 1 1 3V 1 1 1 1 15V Observe que a tensão de saída depende de ajuste de ganho normalmente feito pelo projetista No nosso caso usaremos um conversor DA de 8 bits DAC 0808 então teremos 256 combinações diferentes e a tensão de saída irá variar entre 0V e 5V Nesta situação a variação do bit menos significativo significa uma variação de 5255195 mV Isto é entrada saída D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 V 0 0 0 0 0 0 0 1 195 mV Supervisão alarme comando proteção Microcomputador yt yk uk ut Conversor AD Conversor DA zoh Algoritmo Processo Clock yt Vo D3 D2 D1 D0 Conversor DA CEFETPR Controle Digital Prof Brero I 3 0 0 0 0 0 0 1 0 39 mV 1 1 1 1 1 1 1 1 5 V Conversor analógico para digital AD transforma uma tensão analógica em um valor digital Por exemplo um conversor genérico é mostrado na figura abaixo entrada Vi saída D3 D2 D1 D0 0 V 0 0 0 0 1V 0 0 0 1 2V 0 0 1 0 3V 0 0 1 1 15V 1 1 1 1 Na prática a tensão máxima de entrada depende do conversor AD utilizado Por exemplo usando o ADC 0804 a máxima tensão de entrada que pode ser aplicada é 5 V e como ele é um conversor de 8 bits então teremos a seguinte tabela entrada Vi saída D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 V 0 0 0 0 0 0 0 0 195 mV 0 0 0 0 0 0 0 1 5V 1 1 1 1 1 1 1 1 O conversor AD necessita um certo tempo para efetuar a conversão O conversor indicado demora 100s para fazer a conversão Modelamos o conversor AD como um amostrador sampler e um conversor AD propriamente dito O amostrador serve para pegar uma amostra do sinal no instante de amostragem Note que o sinal na saída do amostrador tem amplitude contínua mas tempo discreto Exemplos de Controle de Sistemas Digitais a Controle digital de um motor a jato de um avião b Controle de um manipulador robótico c etc CLASSIFICAÇÃO DOS SINAIS Um sinal pode ser classificado em termos das suas características de tempo e de amplitude Num sistema contínuo o tempo e a amplitude são contínuos Ao passar este sinal contínuo por um amostrador que é uma chave que abre e fecha controlada por um sinal de clock a informação resultante só existirá em um tempo discreto mas a amplitude ainda será contínua Vi D3 D2 D1 D0 Conversor AD CEFETPR Controle Digital Prof Brero I 4 Passando este sinal por um conversor analógicodigital teremos agora amplitude e tempo discretos O microcomputador processa sinais discretosdigital em tempo discreto Ao se aplicar o sinal digital a um conversor digitalanalógico na saída temos um sinal no tempo discreto mas com amplitude contínua Só que este sinal não possui energia para se aplicada à planta Por isto aplicamos este sinal a um HOLD segurador que ira transformar o sinal para um tempo contínuo Desta forma temos um sinal com amplitude e tempo contínuos aplicados à planta