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.
Para explicar el fundamento de un sistema de control se puede utilizar como ejemplo un
tirador de arco. El tirador mira a la diana, apunta y dispara. Si el punto de impacto resulta bajo,
en el próximo intento levantará más el arco; si la flecha va alta, en la siguiente tirada bajará
algo más el arco; y así sucesivamente, hasta que consiga la diana. El tirador sería el elemento
de mando (da las órdenes de subir o bajar el brazo) y su brazo el elemento actuador.
En el ejemplo expuesto se observa que el objetivo se asegura mediante el método de prueba y
error. Lógicamente los sistemas de control, al ser realizados por ordenadores o por otros
medios analógicos, son más rápidos que en el caso del tirador.
Se puede mejorar el modelo sustituyendo el tirador por un soldado con un arma láser,
que está continuamente disparando. El soldado es el elemento de mando en el sistema, y la
mano con la que se sostiene el arma el elemento actuador.
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.
Un ejemplo sencillo de sistema automático lo constituye el control de temperatura de una
habitación por medio de un termostato, en el que se programa una temperatura de referencia
que se considera idónea. Si en un instante determinado la temperatura del recinto es inferior a
la deseada, se producirá calor, lo que incrementará la temperatura hasta el valor programado,
momento en que la calefacción se desconecta de manera automática.
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.
Como se puede observar las aplicaciones son innumerables. De esta manera surge toda una
teoría, La Regulación Automática, dedicada al estudio de los sistemas automáticos de control.
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CONCEPTOS
Variables del sistema: son todas las magnitudes, sometidas a vigilancia y control, que definen
el comportamiento de un sistema (velocidad, temperatura, posición, etc.).
Entrada: es la excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía
externa, con el fin de provocar una respuesta.
Salida: es la respuesta que proporciona el sistema de control.
Perturbación: son las señales no deseadas que influyen de forma adversa en el
funcionamiento del sistema. Por ejemplo abrir una ventana representa una perturbación en el
sistema de control de temperatura mediante termostato.
Planta: sistema sobre el que pretendemos actuar.
Sistema: es un conjunto de elementos interrelacionados capaces de realizar una operación
dada o de satisfacer una función deseada.
Entrada de mando: señal externa al sistema que condiciona su funcionamiento.
Señal de referencia: es una señal de entrada conocida que nos sirve para calibrar al sistema.
Señal activa: también denominada señal de error. Representa la diferencia entre la señal de
entrada y la realimentada.
Unidad de control: gobierna la salida en función de una señal de activación.
Unidad de realimentación: está formada por uno o varios elementos que captan la variable de
salida, la acondicionan y trasladan a la unidad de comparación.
Actuador: es un elemento que recibe una orden desde el regulador o controlador y la adapta a
un nivel adecuado según la variable de salida necesaria para accionar el elemento final de
control, planta o proceso.
Transductor: transforma una magnitud física en otra que es capaz de interpretar el sistema.
Amplificador: nos proporciona un nivel de señal procedente de la realimentación, entrada,
comparador, etc, adecuada al elemento sobre el que actúa.
De acuerdo con su naturaleza los sistemas de control pueden ser:
Sistemas naturales: por ejemplo la transpiración o control de la temperatura del cuerpo
humano. La entrada del sistema es la temperatura habitual de la piel, y la salida, su
temperatura actual. Si esta última es elevada, la sudoración aumenta para que, por
evaporación, se produzca un enfriamiento de la piel. A medida que la temperatura va
decreciendo, se va disminuyendo la secreción de sudor.
Sistemas realizados por el hombre: por ejemplo el control de temperatura mediante
termostato. La entrada del sistema es la temperatura de referencia que se considera idónea y
se programa en el termostato; y la salida del sistema es la temperatura de una habitación. Si la
temperatura de salida es menor que la de entrada, se producirá calor hasta conseguir que la
temperatura de la habitación sea igual a la de referencia, momento en que la calefacción se
desconecta de modo automático.
Sistemas mixtos: son mezcla de los anteriores. Un ejemplo sería una persona que maneja un
automóvil. La entrada es la dirección de la carretera, y la salida la dirección del automóvil. Por
medio del cerebro, los ojos, las manos….., y también el vehículo, el conductor controla y corrige
la salida para ajustarla a la entrada. Otro ejemplo sería el de una persona que se está
duchando. La entrada sería la temperatura ideal del agua de la ducha, y la salida es la
temperatura a la que realmente se encuentra el agua. La persona abre o cierra los grifos de
agua fría y caliente, ejerciendo control sobre la temperatura del agua.
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.
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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.
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 siguiente figura:
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:
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El sistema se controla bien directamente, o bien mediante un transductor y un actuador. El
esquema típico del sistema será, en este caso:
El transductor modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada al sistema de control.
En el caso del sistema de control de la temperatura de una habitación, para que sea un sistema
abierto es necesario que no exista termostato, de manera que siga funcionando
permanentemente. La entrada del sistema sería la temperatura ideal de la habitación; la planta
o proceso sería la habitación y la salida sería la temperatura real de la habitación. El
transductor podría ser un dial en el que definamos el tiempo de funcionamiento y el actuador el
propio foco de calefacción (caldera o radiador).
El actuador o accionador modifica la entrada del sistema entregada por el transductor
(normalmente amplifica la señal).
Una lavadora automática sería un claro ejemplo de sistema de control en lazo abierto. La
blancura de la ropa (señal de salida) no influye en la entrada. La variable tiempo presenta una
importancia fundamental: si está bien calibrada, cada proceso durará el tiempo necesario para
obtener la mejor blancura.
Otro ejemplo de sistema en lazo abierto sería el alumbrado público controlado por interruptor
horario. El encendido o apagado no depende de la luz presente, sino de los tiempos fijados en
el interruptor horario.
Como vemos los sistemas de lazo abierto dependen de la variable tiempo y la salida no
depende de la entrada.
El principal inconveniente que presentan los sistemas de lazo abierto es que son
extremadamente sensibles a las perturbaciones. Por ejemplo si en una habitación se ha
conseguido una temperatura idónea y se abre una puerta o ventana (perturbación) entraría
aire frío, de manera que el tiempo necesario para obtener dicha temperatura sería diferente.
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.
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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 es:
Comparador
Entrada Controlador Planta +
-
Salida
Señal controlada
Señal de
error
Señal de
mando Señal
realimentada
Señal de
control o
manipulada
Realimentación
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:
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.
En el ejemplo de control de temperatura de una habitación, el sistema, planta o proceso es la
habitación que se quiere calentar, el transductor puede ser un dial con el que se define el grado
de calentamiento, el actuador o accionador una caldera o un radiador y el captador puede ser
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un termómetro. Este último actúa como sensor midiendo la temperatura del recinto, para que
pueda ser comparada con la de referencia.
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. El termostato del ejemplo anterior realizaría esta función.
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.