CONTROLE DIGITAL

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, pode-se 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.
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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
Microcomputador
Clock
y(t)
y(k)
Conversor
A/D
u(k)
Algoritmo
y(t)
u(t)
Processo
Conversor
D/A + zoh
Supervisão, alarme, comando, proteção
Onde zoh=zero 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 (D/A): transforma um código binário em um valor
analógico. Por exemplo, no diagrama abaixo, temos um conversor D/A com quatro bits de
entrada. Então:
D3
0
0
0
0
D2
0
0
0
0
...
1
1
entrada
D1
0
0
1
1
1
D0
0
1
0
1
Saída
(Vo)
0V
1V
2V
3V
1
15V
D3
D2
D1
D0
Conversor
D/A
Vo
Observe que a tensão de saída depende de ajuste de ganho, normalmente feito pelo
projetista. No nosso caso, usaremos um conversor D/A 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 5/255=19,5 mV.
Isto é:
D
7
0
0
D
6
0
0
D
5
0
0
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entrada
D D
4
3
0
0
0
0
saída
D
2
0
0
D
1
0
0
D
0
0
1
0V
19,5 mV
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0
0
0
1
1
1
0
...
1
0
0
1
0
39 mV
1
1
1
1
5V
Conversor analógico para digital (A/D): transforma uma tensão analógica em um
valor digital. Por exemplo, um conversor genérico é mostrado na figura abaixo:
entrada
(Vi)
0V
1V
2V
3V
15V
D3
0
0
0
0
1
saída
D2 D1
0
0
0
0
0
1
0
1
...
1
1
Vi
D0
0
1
0
1
Conversor
A/D
D3
D2
D1
D0
1
Na prática a tensão máxima de entrada depende do conversor A/D 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)
0V
19,5 mV
5V
D7 D6
0
0
0
0
1
1
D5
0
0
...
1
saída
D4 D3
0
0
0
0
D2
0
0
D1
0
0
D0
0
1
1
1
1
1
1
O conversor A/D necessita um certo tempo para efetuar a conversão. O conversor
indicado demora 100s para fazer a conversão.
Modelamos o conversor A/D como um amostrador (sampler) e um conversor A/D
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.
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Passando este sinal por um conversor analógico-digital, teremos agora amplitude e
tempo discretos.
O microcomputador processa sinais discretos(digital) em tempo discreto.
Ao se aplicar o sinal digital a um conversor digital-analógico, 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.
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