Clasificación de los Sistemas de Control Introducción
Los sistemas de control pueden ser clasificados en Manuales y Automáticos. El sistema de control de líquido presentado antes, cuando el operador no está presente, es un ejemplo de control manual. El último sistema de control de líquido (sin operador), es un ejemplo de un sistema de control automático. Los sistemas de control también pueden ser clasificados clasificados en: Sistemas de Control de lazo abierto • Sistemas de Control de lazo cerrado • Sistemas de Control de Lazo abierto
En este tipo de sistemas la salida no tiene ninguna influencia sobre la entrada manipulable. Como un primer ejemplo, consideremos un tostador (común) de pan, figura 1.
Ilustración 1.
El tostador es ajustado para obtener una rebanada de pan con un cierto color. El ajuste del botón que representa el color requerido representa la entrada y el color obtenido representa la salida. Si el color obtenido no es satisfactorio, debido a la condición del pan o debido a alguna otra razón, el tostador no puede automáticamente alterar el tiempo que el calor es aplicado al pan. ¿Alguna vez se le ha quemado el pan? Otro ejemplo es un motor DC utilizado para mover una determinada carga, carga, ver figura 2 Para un valor dado de la corriente de campo, un cierto valor de voltaje es aplicado a la armadura para producir el valor deseado de la velocidad velocidad del motor.
Ilustración 2.
En este caso, el voltaje de armadura aplicado es la entrada y la velocidad del eje del motor es la salida. Una variación de la velocidad respecto al valor deseado, debido a
un cambio en la carga mecánica en el eje, no puede de ninguna manera causar un cambio en el valor del voltaje de armadura aplicado para mantener la velocidad deseada. El sistema presentado al inicio (control de nivel de líquido en el tanque sin operador) representa otro ejemplo de control en lazo abierto.
Ilustración 3.
La c aracterística qu e disting ue a los sistemas de con trol de lazo abierto es que e s t o s n o p u e d e n c o m p e n s a r n i n g u n a p e r t u r b a c i ón y s o n s i m p l e m e n t e d i ri g i d o s po r la entrad a. Bajo la presencia de perturbaciones un sistema de control de lazo abierto no realizará la tarea deseada. En estos sistemas, la salida no es comparada con la entrada y para cada entrada existe una condición de operación fija. La precisión del sistema depende de la calibración del mismo. Los sistemas de control de lazo abierto pueden ser usados, en la práctica, solamente si la relación entre la entrada y la salida es conocida y si no existen perturbaciones internas o externas. Cualquier sistema de contro l que opera sobre una base temporal es un sistema de co ntrol de lazo abierto .
Un ejemplo es una máquina lavadora de ropa. Es este sistema, los procesos de enjuague, lavado, etc. operan sobre una base temporal (temporización). La máquina no mide la señal de salida, en este caso, el nivel de limpieza de la ropa. La figura 4 muestra el diagrama de bloques correspondiente a un sistema de lazo abierto.
Ilustración 4.
Sistemas de Control de Lazo cerrado
Como vimos en el caso del tanque (control de nivel de líquido), cuando el operador es incluido como parte del sistema este se encarga de leer el indicador de nivel de salida (valor actual de la salida) y la compara con la entrada. Si la salida no tiene el valor
deseado, el operador puede manipular la válvula de salida a fin de mantener el nivel constante. El operador provee un medio a través del cual la salida es llevada hacia la entrada (feedback) y comparada con la señal de entrada. Cualquier cambio necesario para lograr que la salida sea igual al valor deseado es realizado. Los s istemas en los c uales la salida tiene un efecto so bre la entrada manipulable s o n l l a m a d o s s i s t em a s d e c o n t r o l e n l a z o c e r r ad o . En este tipo de sistema, las perturbaciones son compensadas midiendo la señal de salida y llevándola hacia la entrada (feedback) para compararla con la señal de entrada (referencia). Si existe alguna diferencia entre ambas señales la corrección necesaria para que la salida tienda a igualar a la entrada es realizada. La figura 5 muestra el diagrama de bloques correspondiente a un sistema de lazo abierto.
Ilustración 5.
Otro ejemplo que puede ayudar a entender el funcionamiento de los sistemas de lazo cerrado es el manejo de un carro. En este caso, la ruta, la velocidad y la aceleración son determinadas y controladas por el conductor. El conductor logra lo anterior observando el tráfico y las condiciones de la carretera y mediante la manipulación del acelerador, el clutch, los breques, y el timón del carro. Supongamos que el conductor desea mantener una velocidad de 50 Km/h (respuesta deseada). El acelera el carro hasta alcanzar la velocidad deseada. Dicha velocidad es mantenida en el valor deseado manteniendo constante la presión que ejerce el pie sobre el acelerador. Mientras no haya pendientes u otras perturbaciones en la carretera, no habrá ningún error en la velocidad. La velocidad actual del automóvil es medida e indicada en el velocímetro en el tablero del carro. El conductor lee la velocidad actual y la compara con la velocidad deseada (mentalmente). Si hay alguna desviación el conductor toma la decisión de incrementar o disminuir (según sea el caso) la velocidad. La decisión es ejecutada cambiando la presión ejercida por el pie (potencia muscular) sobre el acelerador. El sistema descrito requiere del continuo control manual de parte del conductor y por lo tanto es clasificado como un sistema de control manual. Retroalimentación
El proceso de medir la señal de salida y llevarla hacia la entrada para compararla con la señal de referencia es denominado “retroalimentación.” Este proceso afecta el comportamiento del sistema ya que incide directamente en las características principales del sistema de control. El uso de la retroalimentación tiene entre otros, el propósito de reducir el error entre la salida y la referencia (valor deseado).
Otros aspectos del sistema que son afectados por la retroalimentación son los siguientes: • ancho de banda • ganancia total • impedancia • sensibilidad • estabilidad • etc. La estabilidad es un concepto que describe si un sistema será capaz de seguir una entrada de comando. Sin aplicar conceptos rigurosos, se dice que un sistema es inestable cuando su salida está fuera de control o aumenta sin límites. La retroalimentación puede ser usada para lograr que un sistema que es inestable sea convertido a un sistema estable. Si la retroalimentación no es usada adecuadamente, un sistema estable puede ser conv ertido a un sis tema inestable lo cual no es aceptable para un sistema de control. Las consideraciones de sensibilidad suelen tener un papel importante en el diseño de los sistemas de control. Puesto que todos los elementos físicos tienen propiedades que pueden cambiar con el medio ambiente y su tiempo de uso, no siempre es posible considerar que los parámetros de un sistema de control pueden ser totalmente estacionarios en el intervalo total de la vida operacional del sistema de control. La retroalimentación es un proceso que puede ayudar en la reducción de la sensibilidad del sistema. Todos los sistemas físicos de control están sometidos a señales extrañas o ruido durante su operación. Algunos ejemplos de estas señales son el voltaje de ruido térmico en los amplificadores electrónicos y el ruido de escobillas o conmutadores en los motores eléctricos. En muchas situaciones, la retroalimentación puede reducir el efecto del ruido sobre el desempeño del sistema. Sistemas de control de Lazo abierto V s. Sistemas de Control de Lazo Cerrado.
Una de las ventajas de los sistemas de control de lazo cerrado es el hecho de que el uso de la retroalimentación hace que la respuesta del sistema sea relativamente insensitiva a las perturbaciones externas y a las variaciones internas en los parámetros del sistema. Por lo tanto, es posible usar componentes no muy exactos y baratos para obtener un control exacto de una planta dada, lo cual es imposible en un sistema de lazo abierto. Desde el punto de vista de la estabilidad, el sistema de control de lazo abierto es más fácil de construir ya que la estabilidad del sistema no es un problema mayor. Por otro lado, la estabilidad es un problema mayor en un sistema de control de lazo cerrado, el cual puede tender a sobre-corregir errores lo cual puede causar oscilaciones de amplitud constante o variable. Los sistemas de control de lazo cerrado solamente tienen ventaja cuando perturbaciones no predecibles y / o variaciones impredecibles en los componentes del sistema están presentes. El número de componentes usados en un sistema de lazo cerrado es mayor que el correspondiente a un sistema de lazo abierto. De este modo, el sistema de control de lazo cerrado tiene costos generalmente mayores.
