SISTEMAS DE CONTROL Juan P.R.
ENGRANAJES Y PROTONES SISTEMAS DE CONTROL
Para poder entender los sistemas de control, es necesario ver primero una serie de conceptos:
SISTEMA: Combinación de componentes que actúan interconectados, para cumplir un determinado objetivo.
CONTROL: Controlar un proceso consiste en mantener constantes ciertas variables prefijadas de antemano. Las variables controladas pueden ser de cualquier tipo, por ejemplo: presión, temperatura, velocidad …
SISTEMA DE CONTROL: Un sistema de control es el conjunto de elementos, que hace posible que otro sistema, proceso o planta permanezca fiel a un programa establecido.
Ejemplo Un ejemplo de sistema de control es el que mantiene la temperatura de nuestro cuerpo. • Si la temperatura sube por encima de 37ºC, empezamos a sudar, de esta manera se refresca el cuerpo. • Si por el contrario la temperatura baja de 37ºC, el cuerpo, involuntariamente, comienza a temblar, contracción muscular que calienta nuestro cuerpo, haciendo que se normalice nuestra temperatura. Por tanto, en este caso: • Sistema de medida o sensores è células nerviosas de la piel • Señal de consigna è 37ºC • Acción de control de la temperatura è Sudar o temblar
Las máquinas automáticas (automatismos) y los robots son sistemas de control, son capaces de iniciar y detener procesos sin la intervención manual del usuario. Para ello necesitarán recibir información del exterior, procesarla y emitir una respuesta; en un automatismo dicha respuesta será siempre la misma pero en un robot podemos tener diferentes comportamientos según las circunstancias. Los elementos básicos de un sistema de control son:
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Sensores: permiten conocer el estado de las variables medibles del sistema
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Controlador: utilizando los valores de la señal de entrada y de la respuesta obtenida o señal realimentada (en aquellos sistemas que la tienen), determina que acción debe aplicarse para modificar las señales de control en base a la salida deseada
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Actuador: es el mecanismo que ejecuta a acción calculada por el controlador y modifica la variable de salida o señal controlada
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En los sistemas de control, se distinguen una serie de señales: ü
SEÑAL DE REFERENCIA O CONSIGNA: Es una señal externa de control con la que indicamos al sistema el valor deseado para la señal de salida. Calibra el sistema en función del valor introducido para obtener la salida que queremos. Ejemplo: cuando abrimos un grifo hasta la mitad, la señal de referencia que mandamos es que queremos un caudal de agua que sea la mitad del caudal máximo
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SEÑAL DE SALIDA, OUTPUT, O SEÑAL CONTROLADA: es la variable de salida del sistema, la que estamos controlando. Ejemplo: en el caso del grifo, la señal de salida sería la cantidad de agua que cae.
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SEÑAL DE CONTROL O SEÑAL DE RETROALIMENTACIÓN: es la señal de salida que se reintroduce como entrada en los sistemas retroalimentados, para ser comparada con la señal de referencia.
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SEÑAL ACTIVA: En los sistemas de control retroalimentados, es la señal de error que indica la diferencie entre la señal de referencia y la señal de salida o retroalimentada.
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PERTURBACIÓN: es una señal indeseada que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema, normalmente de forma adversa. Si la perturbación se genera dentro del sistema se la denomina interna,(Ejemplo: envejecimiento de componentes) mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema (Ejemplo: apertura de una ventana en una estancia climatizada).
A grandes rasgos, existen dos clases básicas de sistemas de control: sistemas de lazo abierto y sistemas de lazo cerrado. En los sistemas de control de lazo abierto la salida se genera dependiendo de la entrada y de nada más; mientras que en los sistemas de lazo cerrado la salida depende de las consideraciones y correcciones realizadas por la retroalimentación. Un sistema de lazo cerrado es llamado también sistema de control con realimentación.
1.- SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO
Son aquellos en los que la acción de control es independiente de la salida, es decir, la señal de salida no tiene influencia sobre la señal de entrada
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Ni la salida ni otras variables (como las perturbaciones por ejemplo) tiene efecto sobre el control, es decir, el sistema siempre actuará del mismo modo, independientemente de los valores que tome la señal de salida. Los automatismos son sistemas de control de lazo abierto. A los automatismos no se les puede llamar, en sentido estricto robots, porque al no tener en cuenta la salida, su capacidad de toma de decisiones “inteligentes” es muy limitada. Ejemplo Una tostadora es un sistema de lazo abierto. La variable de entrada es el tiempo de funcionamiento o encendido, que en muchos casos viene marcado con un dial con números. Cuando seleccionamos una duración, la tostadora se enciende durante ese tiempo, independientemente de que la tostada se queme o quede poco hecha.
Estos sistemas se caracterizan por: •
Ser sencillos y de fácil concepto.
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La salida no se compara con la entrada.
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Son afectados por las perturbaciones y nada asegura su estabilidad ante ellas.
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La precisión depende de la previa calibración del sistema.
Ejemplo Sistema de llenado de un tanque por medio de un grifo. Mientras la llave sigue abierta, el agua fluirá. La altura del agua en el tanque no puede hacer que se cierre el grifo aunque el tanque se desborde (la salida no afecta a la entrada). Si empieza a llover (perturbación externa) y se llena el tanque, el grifo tampoco se cerrará.
2.- SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO
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Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia. El control en lazo cerrado es imprescindible en aquellos procesos que no pueden ser controlados por el ser humano: •
Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y que un trabajador no es capaz de manejar.
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Algunos procesos largos en los que la vigilancia puede ser demasiado larga o tediosa y que requieren una atención que el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.
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Dispositivos que requieren un control muy preciso o con medicioenes en intervalos de tiempo muy pequeños, imposibles de gestionar por un ser humano.
Entre otras propiedades se caracteizan por: •
Ser más complejos que los sistemas de lazo abierto, y con gran cantidad de parámetros.
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La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema. Esta propiedad se denomina retroalimentación.
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Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas.
Los robots son sistemas de control de lazo cerrado, en función de los datos de realimentación que manden los sensores, toman decisiones que conforman la señal activa que controlará los actuadores y el funcionamiento del sistema. Ejemplo El sistema de llenado de la cisterna de un water. Cuando se tira de la cadena, “señal de entrada”, el agua empieza a llenar el depósito, “salida”. En todo momento la altura del agua en la cisterna, señal de retroalimentación, es controlada con una boya que flota en el agua, “sensor”. Si la boya no alcanza la altura marcada, “comparador”, el agua sigue fluyendo. En el momento en el que el agua alcanza el nivel deseado, se corta la salida de agua. Ejemplo Sistema de climatización de una habitación. En el mando o en el termostato se introduce la temperatura deseada (señal de referencia o consigna), los sensores del aparato miden la temperatura de la habitación, y de ser más alta el aire acondicionado se pone en funcionamiento con una potencia que dependerá de la diferencia entre la temperatura consignada y la medida. Cada cierto tiempo (en intervalos fijados por el fabricante) el dispositivo vuelve a medir la temperatura de la habitación y manda al comparador el resultado (señal retroalimentada). En función de la comparación se mandará una señal activa al dispositivo refrigerador que ajustará la potencia (cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas, mayor será la potencia, cuanto menor sea, menos se refrigerará). Cuando se alcanza la temperatura deseada el aparato se apaga, y se volverá a poner en marcha cuando vuelva a aumentar.
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