Sistemas Ciber-Físicos: Resumen PDF

¿Qué es un sistema ciber-fisicos? Un sistema ciber-fisicos (CPS: Cyber-Physical System): integración entre sistemas físicos y sistemas de comunicación, computación y control. definido por ambas partes cibernéticas como físicas del sistema. Desafío: lograr la intersección entre lo físico y lo cibe...

¿Qué es un sistema ciber-fisicos? Un sistema ciber-fisicos (CPS: Cyber-Physical System): integración entre sistemas físicos y sistemas de comunicación, computación y control. definido por ambas partes cibernéticas como físicas del sistema. Desafío: lograr la intersección entre lo físico y lo ciber. Características de los CPS-DT: Evolución de la industria: 1. Generación de vapor. Primer telar mecánico 2. Producción en cadena. Energía eléctrica. Primera cadena de montaje 3. Mayor nivel de automatización. Electrónica y TI (tecnología de la información) 4. Sistemas ciber-fisicos. Industria y productos inteligentes. Internet de las cosas y servicios. Hiperconectividad. Big data. CPS en general:  Medicinal  Sensores  Industria  Transporte  espacios inteligentes Infraestructura: Fuente de datos (Sensores), sistema de decisión, información a conductores. Aplicaciones actuales:  dispositivos y sistemas médicos  control de trafico   sistemas de automoción avanzado  control de procesos  conservación de energía  robótica  estructuras inteligentes  sistema de distribución y comunicación ¿cómo evolucionan los CPS? Hype cycle for manufacturing operations strategy de Gartner, representación grafica de la madurez, adopción y aplicación comercial de tecnología de fabricación. Desde 2018 sitúa los sistemas ciber-físicos como una tecnología emergente 2019 los sitúa como una tecnología en crecimiento 202 los sitúa en el pico de la gráfica (pico de expectativas sobredimensionadas) continuar investigando Ejemplos de CPS: Mejor cirugía: enfoques con gemelos digitales y sistemas que posibiliten la cirugía sin detener el corazón Un gemelo digital es una representación virtual de un objeto, sistema o proceso físico que se utiliza para simular, monitorear, y analizar su comportamiento en tiempo real. Los gemelos digitales permiten a las organizaciones optimizar operaciones, predecir fallas, y mejorar la toma de decisiones. Los CPS y las contradicciones:  adaptable vs repetible  alta conectividad vs seguridad y privacidad  alto desempeño vs bajo consumo energético  abierto vs propietario  regulaciones vs posibilidad técnica  escalable vs confiable y predecible Factor humano y los CPS:  HPS: El sistema productivo está formado por humanos y maquinas Automatización, menos trabajo humano, modelado físico, experimentación en sistemas físicos, computación matemática.  CPS: El sistema productivo está formado por información y maquinas Embebido, Actuadores, Retroalimentación, Modelado integrado de software y hardware, Modelado y simulación, Aprendizaje automático, Multi-agente Embebidos: sistemas integrados, funciones dedicadas dentro de un dispositivo más grande.  CPSS: Se incorpora la sociedad. Deducción social, Deducción del entorno, Modelado del comportamiento humano, Simulación de contextos, Análisis de redes, Big data  HCPS: CPS liderado por el ser humano. Deducción del pensamiento humano mediante IA, Manufactura inteligente, Modelado unificado HCPS, Simulación de gemelo digital, Simulación híbrida, Aprendizaje mejorado por IA estructura de un CPS partes principales:  la planta física: no está realizada con computadoras o redes de datos, sino que incluye piezas mecánicas, biológicas, procesos químicos y operadores humanos.  plataformas computacionales: sensores, actuadores, una o más computadoras  estructura de red: mecanismos para que las computadoras se comuniquen. ley de control: acciones que debe tomar un Sistema en base a los datos Termino cibernética acuñado por norbet Wiener, matemático, impacto en el desarrollo de la teoría de los sistemas de control. visión de la cibernéticacomo la conjunción del control (retroalimentación de circuito cerrado) y la comunicación. la cibernéticaes la conjunción de procesos físicos, computación y comunicación. Crear un sistema embebido requiere un proceso iterativo de modelado, diseño y análisis. Modelar es el proceso de obtener una comprensión más profunda de un sistema a través de la imitación. Los modelos imitan el sistema y reflejan las propiedades del sistema. Los modelos especifican qué hace un sistema. El diseño es la creación estructurada de artefactos. Especifica cómo un sistema hace lo que hace. El análisis es el proceso de obtener una comprensión más profunda de un sistema a través de la disección. MODELADO: Dinámicas discretas: continuas, discretas - sistema una combinación de partes que se considera como un todo. - La dinámica de un sistema es su evolución en el tiempo: cómo cambia su estado. - modelo de un sistema físico es una descripción de ciertos aspectos del sistema que se pretende dar una idea de las propiedades del sistema. El modelo imita las propiedades del sistema, y por lo tanto da una visión de ese sistema. Un modelo es en sí mismo un sistema.  un modelo de un sistema tiene alta fidelidad si describe con precisión las propiedades del sistema. es una abstracción del sistema si omite los detalles. - Un sistema ciber-fisicos (CPS) es un sistema compuesto de subsistemas físicos junto con computación y redes - un modelo de un sistema ciber-fisicos no necesita tener tanto partes discretas como continuas. Es posible que un modelo sea puramente discreto (o puramente continuo) Diseño o Sistemas embebidos, papel que desempeña dentro de un cps o Sensores y actuadores: papel en la dinámica general del sistema o Procesadores embebidos: arquitecturas de procesadores o Memoria: Explora las arquitecturas de memoria, incluyendo modelos de memoria en lenguajes de programación, tecnologías físicas de memoria, y la jerarquía de memoria (como cachés y scratchpads) o Interfaz: Aborda la interfaz entre el software y el mundo físico, discutiendo los mecanismos de entrada/salida en aplicaciones de software. Análisis o Cada sistema debe estar diseñado para satisfacer ciertos requisitos y especificaciones o Los sistemas embebidos: destinan a aplicaciones cotidianas, el sistema cumple con sus requisitos (propiedades o especificaciones.) o énfasis en la dinámica: lógicas temporales, que proporcionan descripciones precisas delas propiedades dinámicas de los sistemas o los requisitos del sistema se establezcan en un lenguaje natural como el inglés o Los sistemas ciberfísicos son mezclas heterogéneas por naturaleza. Combinan computación, comunicación y dinámica física. Son más difíciles de modelar, más difíciles de diseñar y más difícilesde analizar que los sistemas homogéneos Unidad 2: Álgebra de bloques: - diagramas de bloques: es una representación gráfica de las funciones realizadas por cada componente y del flujo de las señales. interrelaciones que existen entre los diversos componentes. Enlazan entre sí a través de bloques funcionales. - Sistema: es un conjunto de elementos, interrelacionaos entre sí. poseen unos parámetros inherentes que los definen. parámetros característicos (constantes) se los denomina parámetros del sistema. condiciones físicas(variables) determinan el estado del sistema y se las denominada variables del sistema. magnitudes y su evolución regidas en función del tiempo - Señales y Sistemas: Las señales son funciones de una o más variables independientes que contienen información acerca de la naturaleza o comportamiento de algún fenómeno, mientras que los sistemas responden a señales particulares produciendo otras señales. la información dentro de una señal está contenida en un patrón de variaciones de alguna forma. Una señal es un fenómeno que representa información. - El bloque funcional: es un símbolo de la operación matemática que el bloque produce a la salida, sobre la señal que tiene a la entrada. se colocan generalmente las funciones de transferencia de los componentes. Se conectan por flechas para indicar la dirección del flujo de señales. - Un diagrama de bloques de un sistema de control presenta explícitamente una propiedad o característica unilateral - Elementos: - - T2 =T1 *G1+W*G2 - Álgebra elemental de bloques: Los diagramas en bloques representados por muchos bloques y señales intermedias pueden simplificarse en un solo bloque cuyo valor es una función de los bloques individuales, pero no de las señales intermedias. Para simplificar diagramas muy complejos se pueden emplear las tres reglas elementales: - Regla de Mason: cuando existe un lazo de realimentación, la transferencia entre la entrada y la salida es igual al producto de todas las transferencias en el camino directo entrada-salida dividido en 1 más el producto de todas las transferencias incluidas en el circuito de realimentación (o 1 menos si la realimentación es positiva): Elementos pasivos: Capacitores o condensadores: placas metálicas conductoras separadas por un material aislante, denominado dieléctrico, como el aire, papel, cerámica, mica, etc. - Se carga por un fenómenos físico electrostático - Sirve para almacenar cargas - si se le desconecta de la fuente de energía eléctrica, la - acumulación de cargas se mantiene Se denomina capacidad de un condensador a la propiedad que éstos poseen de almacenar mayor o menor cantidad de electricidad. La capacidad se mide en faradios. Carga almacenada->Q=C. V Q=COULOMBIOS C=FARADIOS V=VOLTIOS Constante de tiempo= Tiempo que invierte el condensador en adquirir el 63% de la carga total. T(tau)=R*C transcurrido un tiempo igual a cinco constantes de tiempo se puede dar por terminado prácticamente el 100% del proceso de carga o descarga del condensador. TIPOS DE CAPACITORES: -plasticos:1000V. capacidad nf hasta uf -cerámicos: poca tensión. Pf hasta 100nf Electrolíticos. Capacidad elevada(uf hasta decenas de mf) tiene polaridad. No acepta corriente alterna. Capacitores en serie: La capacidad es Q=V. C LA SUMA DE CAPACITORES EN SERIE ES IGUAL A LA SUMA DE RESISTENCIA EN PARALELO. La Capacidad resultante va a ser menor a la menor de cualquiera de las capacidades. PERO Se pueden combinar en serie para soportar un voltaje mayor, al individual de cada uno. CAPACITORES EN PARALELO: LA CAPACIDAD AUMENTA CUANDO SE CONECTAN EN PARALELO. CT=C1+C2+C3+…+Cn Unidad: Corriente continua: ¿Qué es la electrotecnia? Estudio de las aplicaciones prácticas de la electricidad. Se ocupa de la conversión de energía: Generación Transmisión Distribución Utilización Unidades: Corriente eléctrica: ampere (A) Fuerza: newton (N) Energía (incluyendo calor): Joule (J) Potencia: Watt (W) CARGA: propiedad eléctrica de las partículas atómicas de las que se compone la materia, medida en coulomb [C] 1 coulomb = 6,24^18 electrones Ley conservación de la carga: la carga no puede ser creada ni destruida, sólo transferida. Así, la suma algebraica de las cargas eléctricas en un sistema no cambia. CORRIENTE: movimiento de la carga. Unidad Amperes [A], 1 Ampere= 1 coulomb/segundo. Flujo de los electrones. Tipos de corriente:  Continua: permanece en estado constante en el tiempo  Alterna: varia con el tiempo. Tensión: voltaje/diferencia de potencial. Trabajo que se requiere para mover los electrones de un punto a otra. 1 volt= 1joule/coulomb Tensión/voltaje constante: batería, cargador de celular. Tensión/voltaje alterna: generador eléctrico, red eléctrica hogareña. Potencia: Potencia absorbida/suministrada es el producto de la tensión por la corriente. p(t) p(t)=V. I (VOLTAJE POR INTENSIDAD) Potencia +=se está suministra o la absorbe el elemento. La corriente entra por la terminal positiva de un elemento Potencia - =se absorbe o se la está suministrando el elemento. la corriente entra por la terminal negativa. Energía: es la capacidad para realizar trabajo, medida en joule [J]. unidad watts-hora[Wh], 1[Wh]=3600[J] Energía=potencia x tiempo. Resistencia: oposición que ofrece un material al paso de la corriente. unidad ohm [Ω] R=ρ.L/A Ρ: es la resistividad del material (que es el inverso de la conductividad), L: es la longitud del material conductor, A: es el área de la sección transversal. Si R=0, entonces hay un cortocircuito. La tensión es =0 y la corriente tiene cualquier valor Si R=INFINITO, tenemos un circuito abierto. La corriente es cero y la tensión tiene cualquier valor Una rama representa un solo elemento, como una fuente o un resistor. una rama representa a cualquier elemento de dos terminales. El circuito tiene 5 ramas: la fuente de tensión de 10V, la fuente de corriente de 2 A Los tres resistores. Un nodo es el punto de conexión entre dos o más ramas. El circuito tiene 3 nodos: a, b y c Una malla es cualquier trayectoria cerrada en un circuito. Ley de corrientes de Kirchhoff (lck) “La suma de las corrientes que entran en un nodo cualquiera de un circuito eléctrico es igual a la suma de las corrientes que salen de él” “La suma algebraica de TODAS las corrientes en un nodo es cero” Efecto joule: fenómeno irreversible por el cual, si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Entonces la potencia disipada en forma de calor por un resistor será: p=v²/R o p=i²*R Elementos de circuitos: Un elemento es el bloque constitutivo básico de un circuito. Un circuito eléctrico es simplemente una interconexión de elementos. Tipos de elementos: Activos: capaz de generar energía. Ejemplos: generadores y baterías (Fuentes de tensión y fuentes de corriente) Una fuente «independiente ideal» es un elemento activo que suministra una tensión o corriente especificada y que es totalmente independiente de los demás elementos del circuito. Una fuente dependiente ideal (o controlada) es un elemento activo en el que la magnitud de la fuente se controla por medio de otra tensión o corriente Pasivos: no son capaces de generar energía. Ejemplo: resistencias, capacitores, inductores () - Fuentes de tensión y corriente reales: Ideales: son aquellas en que se utiliza el valor de la tensión o corriente como único elemento para referirse a ellas. (Son las que hemos utilizado hasta ahora). Reales: llevan asociadas una resistencia en serie o paralelo a la fuente, según se trate de una fuente de tensión o de corriente respectivamente. Circuito serie: Es aquel en donde las cargas se encuentran conectadas de manera tal que la corriente solo tiene un camino a seguir, es decir que las cargas son atravesadas por el mismo flujo de corriente eléctrica. Las resistencias en serie se suman normalmente. Rt=R1+R2+…+Rn Circuito paralelo: Cada elemento pasivo está conectado directamente a la fuente, o sea que cada elemento recibirá la misma tensión eléctrica de la fuente y la corriente será independiente para cada una de estos elementos. 1 1 1 La suma de resistencia es: Rt=𝑅1 + 𝑅2 + ⋯ + 𝑅𝑛 a. Fuentes de alimentación Una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la corriente alterna (AC) de la red eléctrica en corriente continua (DC) para alimentar dispositivos electrónicos. Existen diferentes tipos, como fuentes lineales y conmutadas, cada una con sus ventajas y desventajas en cuanto a eficiencia y ruido eléctrico. b. Señal Sinusoidal y relación con funciones trigonométricas Una señal sinusoidal es una onda que representa el comportamiento periódico de muchas magnitudes en la física, como el voltaje en corriente alterna. Se relaciona con las funciones trigonométricas, ya que su forma se describe con la𝑦(𝑡) = 𝐴 ∗ sin(2𝜋𝑓𝑡 + 𝜑)donde A es la amplitud, f es la frecuencia y 𝜑 es la fase. Esta forma proviene de la función seno en trigonometría. c. Osciloscopio El osciloscopio es un instrumento de medición que permite visualizar señales eléctricas en el dominio del tiempo. Muestra gráficamente la variación del voltaje en función del tiempo, lo que es útil para analizar la forma de onda, amplitud, frecuencia y otras características de una señal. d. Multímetro, Amperímetro y Voltímetro  Multímetro: es un dispositivo versátil que puede medir múltiples magnitudes eléctricas, como voltaje (AC y DC), corriente, resistencia y, en algunos casos, capacitancia e inductancia.  Amperímetro: se utiliza específicamente para medir la corriente que pasa a través de un circuito, y se conecta en serie con el mismo.  Voltímetro: mide el voltaje entre dos puntos de un circuito y se conecta en paralelo. Estos instrumentos son fundamentales en la electrónica para diagnosticar y analizar el comportamiento de circuitos eléctricos.  delay(): Pausa el programa por un tiempo determinado, deteniendo toda la ejecución. No permite hacer otras tareas mientras está activo.  millis(): Cuenta el tiempo transcurrido desde que empezó el programa sin detener la ejecución, permitiendo realizar otras tareas en paralelo. Diferencia clave: delay() bloquea el programa, mientras que millis() permite seguir ejecutando otras instrucciones mientras controlas el tiempo.