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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ
TALLER DE INVESTIGACIÓN II
ACTIVIDAD:
“INVESTIGACIÒN BIBLIOGRAFICA SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO
MEDIANTE UN MICROCONTROLADOR EN CHIVELA, OAXACA”
DOCENTE:
M.C. RÓMÀN NÁJERA SUSANA MÓNICA
ALUMNO
VILLANUEVA FIGUEROA ALEXIS
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
7º SEMESTRE GRUPO “C”
SALINA CRUZ OAXACA, SEPTIEMBRE DEL 2015
SISTEMAS DE CONTROL
Un sistema dinámico puede definirse conceptualmente como un ente que recibe
unas acciones externas o variables de entrada, y cuya respuesta a estas acciones
externas son las denominadas variables de salida.
Las acciones externas al sistema se dividen en dos grupos, variables de control,
que se pueden manipular, y perturbaciones sobre las que no es posible ningún
tipo de control. La Figura 1 ilustra de un modo conceptual el funcionamiento de un
sistema.
FIGURA No. 1 Esquema general de un sistema.
Dentro de los sistemas se encuentra el concepto de sistema de control. Un
sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de
una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La
finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las
variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas
alcancen unos valores prefijados (consigna).
Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo
los siguientes requisitos:
1. Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a
perturbaciones y errores en los modelos.
2. Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido.
Normalmente este criterio consiste en que la acción de control sobre las
variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e
irreales.
3. Ser fácilmente implementarlo y cómodo de operar en tiempo real con
ayuda de un ordenador.
Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su
manipulación son los siguientes:
- Sensores. Permiten conocer los valores de las variables medidas
del sistema.
- Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y
la consigna impuesta, calcula la acción que debe aplicarse para
modificar las variables de control en base a cierta estrategia.
- Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el
controlador y que modifica las variables de control.
La Figura 2 ilustra el esquema de funcionamiento de un sistema de control
genérico.
FIGURA No. 2 Esquema general de un sistema de control.
REPRESENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
DIAGRAMAS DE BLOQUES
Un proceso o sistema de control es un conjunto de elementos interrelacionados
capaces de realizar una operación dada o de satisfacer una función deseada.
Los sistemas de control se pueden representar en forma de diagramas de
bloques, en los que se ofrece una expresión visual y simplificada de las relaciones
entre la entrada y la salida de un sistema físico.
A cada componente del sistema de control se le denomina elemento, y se
representa por medio de un rectángulo. El diagrama de bloques más sencillo es el
bloque simple, que consta de una sola entrada y de una sola salida como se
observa en la figura 3.
FIGURA No. 3 Diagrama a bloque a sencillo
La interacción entre los bloques se representa por medio de flechas que indican el
sentido de flujo de la información. En estos diagramas es posible realizar
operaciones de adición y de sustracción, que se representan por un pequeño
círculo en el que la salida es la suma algebraica de las entradas con sus signos.
También se pueden representar las operaciones matemáticas de multiplicación y
división como se muestra en la figura 4.
FIGURA No. 4 Operadores matemáticos
TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL
Los sistemas de regulación se pueden clasificar en:
Sistemas de bucle o lazo abierto: son aquellos en los que la acción de control es
independiente de la salida.
Sistemas de bucle o lazo cerrado: son aquellos en los que la acción de control
depende en cierto modo, de la salida.
Sistemas de control en lazo abierto:
Un sistema de control en lazo o bucle abierto es aquél en el que la señal de salida
no influye sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de
su calibración, de manera que al calibrar se establece una relación entre la
entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.
El diagrama de bloque de un sistema en lazo abierto es:
FIGURA No. 5 Sistema en lazo abierto.
El sistema se controla bien directamente, o bien mediante un transductor y un
actuador. El transductor modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada al
sistema de control. El principal inconveniente que presentan los sistemas de lazo
abierto es que son extremadamente sensibles a las perturbaciones.
Sistemas de control en lazo cerrado:
Si en un sistema en lazo abierto existen perturbaciones, no se obtiene siempre la
variable de salida deseada. Conviene, por tanto, utilizar un sistema en el que haya
una relación entre la salida y la entrada.
Un sistema de control de lazo cerrado es aquél en el que la acción de control es,
en cierto modo, dependiente de la salida. La señal de salida influye en la entrada.
Para esto es necesario que la entrada sea modificada en cada instante en función
de la salida. Esto se consigue por medio de lo que llamamos realimentación o
retroalimentación (feedback).
La realimentación es la propiedad de un sistema en lazo cerrado por la cual la
salida (o cualquier otra variable del sistema que esté controlada) se compara con
la entrada del sistema (o una de sus entradas), de manera que la acción de
control se establezca como una función de ambas.
A veces también se le llama a la realimentación transductor de la señal de salida,
ya que mide en cada instante el valor de la señal de salida y proporciona un valor
proporcional a dicha señal.
Por lo tanto podemos definir también los sistemas de control en lazo cerrado
como aquellos sistemas en los que existe una realimentación de la señal de
salida, de manera que ésta ejerce un efecto sobre la acción de control.
El diagrama de bloques correspondiente a un sistema de control en lazo cerrado
se muestra en la figura siguiente:
FIGURA No. 6 Sistema en lazo cerrado.
El controlador está formado por todos los elementos de control y a la planta
también se le llama proceso.
En este esquema se observa cómo la salida es realimentada hacia la entrada.
Ambas se comparan, y la diferencia que existe entre la entrada, que es la señal
de referencia o consigna (señal de mando), y el valor de la salida (señal
realimentada) se conoce como error o señal de error. La señal que entrega el
controlador se llama señal de control o manipulada y la entregada por la salida,
señal controlada.
El error, o diferencia entre los valores de la entrada y de la salida, actúa sobre los
elementos de control en el sentido de reducirse a cero y llevar la salida a su valor
correcto. Se intenta que el sistema siga siempre a la señal de consigna.
El diagrama de bloques anterior se puede sustituir por el siguiente:
FIGURA No. 7 Sistema en lazo cerrado completo.
La salida del sistema de regulación se realimenta mediante un captador. En el
comparador o detector de error, la señal de referencia (salida del transductor) se
compara con la señal de salida medida por el captador, con lo que se genera la
siguiente señal de error:
e(t) = r(t) – b(t)
Donde e(t) es la señal de error, r(t) la señal de referencia y b(t) la variable
realimentada. Pueden suceder dos casos:
- Que la señal de error sea nula. En este caso la salida tendrá exactamente el
valor previsto.
- Que la señal de error no sea nula. Esta señal de error actúa sobre el elemento
regulador que a su salida proporciona una señal que, a través del elemento
accionador, influye en la planta o proceso para que la salida alcance el valor
previsto y de esta manera el valor se anule.
El regulador o controlador es el elemento que determina el comportamiento del
bucle, por lo que debe ser un componente diseñado con gran precisión. Es el
cerebro del bucle de control. Mientras que la variable controlada se mantenga en
el valor previsto, el regulador no actuará sobre el elemento accionador. Pero si el
valor de la variable se aleja del prefijado, el regulador modifica su señal,
ordenando al accionador que actúe sobre la planta o proceso, en el sentido de
corregir dicho alejamiento.
Los sistemas en lazo cerrado son mucho menos sensibles a las perturbaciones
que los de lazo abierto, ya que cualquier modificación de las condiciones del
sistema afectará a la salida, pero este cambio será registrado por medio de la
realimentación como un error que es en definitiva la variable que actúa sobre el
sistema de control.
De este modo, las perturbaciones se compensan, y la salida se independiza de
las mismas. (“Microsoft Word - SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL.doc -
SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL.pdf”, s/f)
SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE CONTROL
Un sistema automático de control es un conjunto de componentes físicos
conectados o relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación
por sí mismos, es decir sin intervención de agentes exteriores (incluido el factor
humano), corrigiendo además los posibles errores que se presenten en su
funcionamiento.
Actualmente, cualquier mecanismo, sistema o planta industrial presenta una parte
actuadora, que corresponde al sistema físico que realiza la acción, y otra parte de
mando o control, que genera las órdenes necesarias para que esa acción se lleve
o no a cabo.
En Automática se sustituye la presencia del ser humano por un mecanismo,
circuito eléctrico, circuito electrónico o, más modernamente por un ordenador. El
sistema de control será, en este caso automático.
Necesidad y aplicaciones de los sistemas automáticos de control.
En la actualidad los sistemas automáticos juegan un gran papel en muchos
campos, mejorando nuestra calidad de vida:
- En los procesos industriales:
Aumentando las cantidades y mejorando la calidad del producto, gracias a
la producción en serie y a las cadenas de montaje.
Reduciendo los costes de producción.
Fabricando artículos que no se pueden obtener por otros medios.
- En los hogares: Mejorando la calidad de vida. Podríamos citar desde una
lavadora hasta un control inteligente de edificios (domótica).
- Para los avances científicos: Un claro ejemplo lo constituyen las misiones
espaciales.
- Para los avances tecnológicos: por ejemplo en automoción es de todos
conocidos los limpiaparabrisas inteligentes, etc.(“Microsoft Word - Tesinaglobal -
34059-5.pdf”, s/f)
MICROCONTROLADORES
Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro
trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar
controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en
los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar.
Pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI será testigo de
la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor
parte de los aparatos que fabricaremos y usamos los humanos.
Controlador y microcontrolador
Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de
uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento
de un horno dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura
interna y, cuando traspasa los límites prefijados, genera las señales adecuadas
que accionan los efectores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro
del rango estipulado.
Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo,
su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los
controladores se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta,
posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips
de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos
los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el
nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo
computador contenido en el corazón (chip) de un circuito integrado.
Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que
incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.
Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:
Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).
Memoria RAM para Contener los datos.
Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas
Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores
Digital/Analógico, etc.).
Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo
el sistema.
APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES
Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de
aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar
su fiabilidad y disminuir el consumo.
Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un
modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de
la masiva utilización de estos componentes.
Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas
presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas,
frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de
arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no
estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de
sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios
microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños
controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central,
probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus
acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.
LAS GAMAS DE PIC
Una de las labores más importantes del ingeniero de diseño es la elección del
microcontrolador que mejor satisfaga las necesidades del proyecto con el mínimo
presupuesto.
Para resolver aplicaciones sencillas se precisan pocos recursos, en cambio, las
aplicaciones grandes requieren numerosos y potentes. Siguiendo esta filosofía
Microchip construye diversos modelos de microcontroladores orientados a cubrir,
de forma óptima, las necesidades de cada proyecto. Así, hay disponibles
microcontroladores sencillos y baratos para atender las aplicaciones simples y
otros complejos y más costosos para las de mucha envergadura.
Microchip dispone de cuatro familias de microcontroladores de 8 bits para
adaptarse a las necesidades de la mayoría de los clientes potenciales. En la
mayor parte de la bibliografía encontrareis tan solo tres familias de
microcontroladores, con lo que habrán despreciado la llamada gama enana, que
es en realidad una subfamilia formada por componentes pertenecientes a las
otras gamas.
En nuestro caso hemos preferido comentarla dado que los PIC enanos son muy
apreciados en las aplicaciones de control de personal, en sistemas de seguridad y
en dispositivos de bajo consumo que gestionan receptores y transmisores de
señales. Su pequeño tamaño los hace ideales en muchos proyectos donde esta
cualidad es fundamental.
A) La gama enana: PIC12C (F) XXX de 8 patitas
Se trata de un grupo de PIC de reciente aparición que ha acaparado la atención
del mercado. Su principal característica es su reducido tamaño, al disponer todos
sus componentes de 8 patitas. Se alimentan con un voltaje de corriente continua
comprendido entre 2,5 V y 5,5 V, y consumen menos de 2 mA cuando trabajan a
5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o de 14 bits y su
repertorio es de 33 o 35 instrucciones, respectivamente. A continuación se
muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC (Figura No .8).
.
FIGURA No .8 Diagrama de patitas de los PIC12Cxxx.
B) Gama baja o básica: PIC16C5X
Con instrucciones de 12 bits. Se trata de una serie de PIC de recursos limitados,
pero con una de la mejores relaciones coste/prestaciones. Sus versiones están
encapsuladas con 18 y 28 patitas y pueden alimentarse a partir de una tensión de
2,5 V, lo que les hace ideales en las aplicaciones que funcionan con pilas
teniendo en cuenta su bajo consumo (menos de 2 mA a 5 V y 4 MHz). Tienen un
repertorio de 33 instrucciones cuyo formato consta de 12 bits. No admiten ningún
tipo de interrupción y la Pila sólo dispone de dos niveles. A continuación se
muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC (Figura No. 9).
Figura No. 9 Diagrama de patitas de los PIC de la gama baja de nomenclatura PIC16C54/56.
C) Gama media. PIC16CXXX
Con instrucciones de 14 bits Es la gama más variada y completa de los PIC.
Abarca modelos con encapsulado desde 18 patitas hasta 68, cubriendo varias
opciones que integran abundantes periféricos. Dentro de esta gama se halla el
«fabuloso PIC16X84» y sus variantes. En la figura siguiente se muestra el
diagrama de conexionado de uno de estos PIC (Figura No. 10).
Figura No. 10 Diagrama de patitas del PIC16C74, uno de los modelos más representativos de la
gama media.
D) Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits.
Se alcanzan las 58 instrucciones de 16 bits en el repertorio y sus modelos
disponen de un sistema de gestión de interrupciones vectorizadas muy potente.
También incluyen variados controladores de periféricos, puertas de comunicación
serie y paralelo con elementos externos, un multiplicador hardware de gran
velocidad y mayores capacidades de memoria, que alcanza los 8 k palabras en la
memoria de instrucciones y 454 bytes en la memoria de datos.
Quizás la característica más destacable de los componentes de esta gama es su
arquitectura abierta, que consiste en la posibilidad de ampliación del
microcontrolador con elementos externos. Para este fin, las patitas sacan al
exterior las líneas de los buses de datos, direcciones y control, a las que se
conectan memorias o controladores de periféricos.
Esta facultad obliga a estos componentes a tener un elevado número de patitas
comprendido entre 40 y 44. Esta filosofía de construcción del sistema es la que se
empleaba en los microprocesadores y no suele ser una práctica habitual cuando
se emplean microcontroladores. En el anexo B se muestran las características
más relevantes de los modelos de esta gama, que sólo se utilizan en aplicaciones
muy especiales con grandes requerimientos (Figura No. 11).
FIGURA No. 11. Diagrama de patitas del PIC18F452, de la gama alta.
(“El mundo de los microcontroladores - Microcontroladores PIC – Programación
en C con ejemplos”, s/f)
FUENTES BIBLIOGRÁFICAS
El mundo de los microcontroladores - Microcontroladores PIC – Programación en
C con ejemplos. (s/f). Recuperado el 25 de septiembre de 2015, a partir de
http://www.mikroe.com/chapters/view/79/capitulo-1-el-mundo-de-los-
microcontroladores/
Microsoft Word - SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL.doc - SISTEMAS
AUTOMATICOS DE CONTROL.pdf. (s/f). Recuperado a partir de
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/bajables/
2%20bachillerato/SISTEMAS%20AUTOMATICOS%20DE%20CONTROL.p
df
Microsoft Word - Tesinaglobal - 34059-5.pdf. (s/f). Recuperado a partir de
https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/3330/34059-
5.pdf?sequence=5
ANEXOS
A) PRIMERA CITACIÓN CON ZOTERO
B) VISTA CLÁSICA PARA AÑADIR LA CITA
C) APARICIÓN DE LA CITA EN EL TEXTO
D) SEGUNDA CITACIÓN
E) VISTA CLÁSICA PARA AÑADIR LA CITA
F) APARICIÓN DE LA CITA EN EL TEXTO
G) OPCIÓN PARA INSERTAR BIBLIOGRAFIA
H) BIBLIOGRAFÍA EN ORDEN ALFABÉTICO