Introducción a las Ingenierías de la Información Sistemas de Control y Automatización. Robótica.

Sistemas de Control Definición. SISTEMA Perturbación Externa Objetivo de Control SISTEMA DE CONTROL SISTEMA Entrada Salida Perturbación: Señal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema. Puede ser interna o externa al sistema. Ejemplo: Una habitación con un calentador eléctrico que se puede encender o apagar, con un termómetro que mide la temperatura y una puerta que puede estar abierta o cerrada. Variables de entrada: Interruptor del calentador eléctrico. Variables de salida: Temperatura en la habitación. Objetivo de control: Temperatura deseada. Perturbación externa: Temperatura del exterior y estado de la puerta. Perturbación interna: Actividad de las personas dentro de la habitación.

Sistemas de Control Sistemas de control de lazo abierto. La variable de salida no tiene efecto en la acción de control. No se compara la salida de sistema con el valor deseado. Para cada valor objetivo le corresponde una operación fija y una determinada entrada al sistema. En presencia de perturbaciones, estos sistemas de control no cumplen su función adecuadamente. Ejemplo: Semáforos de una ciudad. La variable de salida “estado del tráfico” no afecta el funcionamiento del sistema. Funcionan sobre una base de tiempo.

Sistemas de Control Sistemas de control de lazo cerrado. SISTEMA + - Realimentación (feedback): Mide el valor de la variable controlada (salida), detecta el error comparando la salida con el valor deseado y ejecuta la acción de control modificando alguna variable del proceso con el objetivo de disminuir el error (o diferencia entre la salida y el valor deseado). La variable de salida tiene efecto en la acción de control. Perturbación Externa Objetivo de Control SISTEMA DE CONTROL SISTEMA Entrada + Salida Medidor - La respuesta del sistema se vuelve relativamente insensible a las perturbaciones externes e internas. Desventaja: Riesgo de inestabilidad si el controlador no está bien ajustado (sobre-corrección de errores).

Sistemas de Control Sistemas de control de lazo cerrado. CABINA Ejemplo: Control de temperatura en una cabina. Prealimentado: Mide la perturbación externa. Temperatura ambiente Sol Sensor de calor de radiación Sensor Temperatura deseada Temperatura de la cabina CONTROLADOR Acondicionador de aire CABINA Sensor

Sistemas de Control PLC (Controlador de Lógica Programable). Las decisiones del controlador son programadas, son instrucciones de un código guardadas en un chip de memoria y ejecutadas por un microprocesador. Por lo tanto, es más flexible que un controlador diseñado únicamente por hardware. El PLC está compuesto por: Módulos de entrada y salida: compuesto principalmente por conversores A/D y D/A. Señales analógicas desde sensores y hacia actuadores. Señales digitales (bits) desde y hacia el procesador. Procesador: Compuesto por el CPU y memorias. Dispositivo de programación: Computadora con la cual se programa el PLC. Se conecta al PLC a través de un cable serial. Se utiliza un software de programación brindado por el fabricante del PLC.

Sistemas de Control PLC. Procesador Módulo Módulo Memoria CPU Memoria Entrada Módulo Salida Memoria Entrada CPU Memoria Salida Memoria Programa del Usuario Memoria Variables Programador

Sistemas de Control Controlador por Software. Es más flexible y más sencillo para realizar modificaciones. “Diagrama de flujo” para el programa del controlador. “Diagrama en bloques” del controlador y el sistema.

Sistemas de Control Diagrama de Flujo.

Sistemas de Control Diagrama en bloques.

Robótica Proceso histórico. Robot mecánico. A partir de la Revolución Industrial. Dirigidos a la producción textil. Robot electrónico-mecánico. Avances tecnológicos en actuadores y sensores. Aparición de las computadoras. Robot software-electrónico-mecánico. Avances en el procesamiento de datos y en los algoritmos. Inteligencia artificial.

Robótica ¿Qué es un robot? Conjunto de componentes mecánicos y electrónicos (técnico). Máquina a ser programada (programador). Máquina capaz de realizar una tarea específica (ingeniero). Mecanismo construido para probar una hipótesis (científico). Conjunto de subsistemas interrelacionados (ingeniero en informática): Subsistema de procesos: tareas que lleva a cabo y relación con el medio (ingeniería aplicada). Subsistema de planeamiento: estrategias para ejecutar las tareas (programas de control). Subsistema de control: ejecución de los programas de control por medio de sensores, algoritmos de control y actuadores. Subsistema de software, subsistema eléctrico y subsistema mecánico.

Robótica Configuración típica de un robot mecánico para la industria.

Robótica Tipos de actuadores Eléctricos. Bajo costo y buena precisión en control de velocidad y de posición. No puede realizar demasiada fuerza. Hidráulicos. Gran fuerza y buena precisión. Elevado costo y requiere mantenimiento. Neumáticos. Menor costo que el hidráulico y respuesta rápida. No es tan preciso como los otros y menor fuerza que el hidráulico.

Robótica Tipos de programas para manejar robots Se clasifican más bien por la complejidad del software que por las posibilidades mecánicas del robot. Positive-stop program: Produce únicamente 2 posiciones posibles para cada eje del robot. Por ejemplo, un robot con 3 grados de libertad puede tener hasta 8 posiciones diferentes. Point to ponit program: Mueve el robot a cualquier posición posible dentro de un rango. Por ejemplo, en un programa con una resolución de 8 bits, cada eje puede tomar 256 posiciones diferentes. Continuous path program: Es similar al point to point pero con mayor cantidad de posiciones posibles. Utiliza usualmente más de 12 bits y una rápida velocidad de muestro. Ejemplo: Clock del microprosesador=1MHz  ciclos de 1 micro seg. requiere 4 micro seg para leer 8 bits y 6 micro seg para escribir en RAM  10 micro seg por eje  Para 6 grados de libertad se realiza el muestreo en 70 micro seg.  14000 muestreos de posición por segundo.

Robótica Diagrama en bloques de un programa continuous path de un robot.

Robótica ¿Qué es un robot? “Robota” (checo): Servidumbre o trabajo forzoso. Servir a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos físicos. Isaac Asimov (literatura ciencia ficción - 1939): Las tres leyes de la robótica. Un robot no puede actuar contra un ser humano ni dejar que sufra daños. Un robot debe obedecer las órdenes de los seres humanos, salvo que se contradigan con la primera ley. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las dos primeras leyes.

Robótica Impacto en la sociedad “Para el 2020 los robots serán tan inteligentes y su interacción con los humanos será tan grande que existirá un desequilibrio tecnológico enorme entre quienes posean o no una de estas herramientas” (Antonio López Peláez – investigador español). Niveles de inteligencia comparables con la de los humanos (puntos de inflexión, de Kurzweil)  ¿“Compañeros”?. Además de la ayuda en labores domésticas e industriales cotidianas, reemplazarán al hombre en las tareas con exposición a ambientes peligrosos, estresantes o poco saludables. Nonomáquinas y cyborgs.

Nanotecnología Nanotecnología Richard Feynman (1959) (premio Nobel de Física): escribió un artículo que analizaba cómo las computadoras trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas. Ciencias aplicadas a la manipulación de la materia a nivel atómico y molecular. Ciencias involucradas: química, bioquímica, biología molecular, física, electrónica, informática, matemática, medicina, nanoingeniería. Materiales. “Transformar grafito en diamante”. Medicina. Curación de enfermedades. Organos artificiales. Existe un gran consenso en que la nanotecnología nos llevará a una nueva revolución industrial en el siglo XXI. .