Sistemas De Control, Conceptos Básicos, 2 Tipos Y Ejemplos

En la actualidad la mayoría de equipos son inteligentes, esta última palabra se refiere a que pueden tomar una decisión o no, en base a su estructura, funcionamiento, y para el fin que ha sido destinado.

Los sistemas de control en cuanto a la ingeniería, son sencillamente aquellos que deciden qué ocurrirá en un proceso específico.

Conceptos básicos de los sistemas de control

Los sistemas de control lo que hacen es gobernar lo que ocurre en un proceso determinado, como por ejemplo en una planta, esta puede ser una parte de un equipo o un conjunto de los elementos de una máquina que funcionan juntos, que tienen como objetivo efectuar una operación particular bien sea alterar el valor de alguna variable de presión, temperatura, duración de un experimento cantidad de luz, entre otras.

Antes de continuar es importante definir algunos términos básicos.

Variable controlada y señal de control:

La variable controlada es la cantidad o condición que se mide y controla, temperatura, presión, etc. La señal de control es por medio de la cual se cambia o controla la variable controlada, con esta señal a través del controlador se puede ajustar el valor de la variable controlada.

La variable controlada usualmente es la salida del sistema, y es que esto es lógico ya que esta es la que se quiere gobernar por medio de la señal de control o variable manipulada al ser aplicada al sistema para corregir o restringir a desviación del valor medido respecto al valor deseado.

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Plantas: 

Es el proceso que se desea controlar, puede ser un subproceso, es decir, una sección del proceso o una parte de un equipo, también puede ser un grupo de elementos de una máquina que funcionan juntos, y que tienen como objetivo hacer una operación particular en donde para lograrla se tendrá que gobernar, ajustar o controlar la variable de salida propia de ese sistema.

Procesos: 

Es un grupo o secuencia de fenómenos que trabajan entre sí progresivamente y que son necesarios para lograr el resultado final esperado previamente, cumpliendo este con una serie de acciones o movimientos controlados dirigidos hacia un propósito o resultados determinados; o cualquier procedimiento que se va a controlar, bien sean, procesos biológicos, químicos o económicos.

Sistemas:

Un sistema es un conjunto de componentes que operan de manera unida, y en el que cada uno desempeña una función particular para lograr un objetivo en común. Dentro de esta definición no solo se toman en cuenta los modelos físicos sino también los abstractos y dinámicos, como los sistemas económicos, biológicos y similares.

Perturbaciones:

Las perturbaciones se refieren a todos los agentes externos o internos que se encargan de molestar, o alterar el comportamiento del sistema en cuestión, o que toman acción en el mismo ambiente o proceso en el que se encuentra el sistema, éstas deben ser consideradas, en caso de que sean influyentes, en el modelo del sistema de control a realizar para controlar una determinada variable, para entender esto de alguna manera podemos analizar el siguiente ejemplo:

En el caso de un sistema de aire acondicionado, la variable controlada es la temperatura, se desea que tenga el valor elegido, para esto se mide su valor (la temperatura de la habitación) y se compara con el valor deseado (el elegido) y así se ajusta la acción de control a ejercer dependiendo de la desviación del valor medido respecto al valor deseado de temperatura, pero una perturbación, cambiaría los resultados de esta operación lo que afectaría notablemente al sistema.

Control realimentado: 

Se dice que es para configurar la acción de control midiendo la variable controlada y comparándola con el valor deseado (entrada de referencia), en presencia de perturbaciones, para reducir el valor de esta diferencia.

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Tipos de sistemas de control

A continuación, se presentarán dos tipos de sistemas de control importantes:

1) Sistemas de control a lazo cerrado.

En el sistema de control a lazo cerrado, se dice así (cerrado), porque la variable de salida se compara con una entrada de referencia, para así formar una señal de error como medio de control que indica la desviación de la salida respecto a la entrada de referencia; con esto, se introduce la señal de error o de control en el controlador, para luego ejercer una acción.

En el sistema de control a lazo cerrado, se dice así (cerrado), porque la variable de salida se compara con una entrada de referencia, para así formar una señal de error como medio de control que indica la desviación de la salida respecto a la entrada de referencia; con esto, se introduce la señal de error o de control en el controlador, para luego ejercer una acción.

En la figura 1 podemos observar un sistema de control a lazo cerrado que es igual a un sistema de control con retroalimentación, se puede observar que es cerrado porque la salida y(t) mostrada en la imagen es tomada por el sensor para luego ser comparada como h(t) con la entrada de referencia r(t), y así producir la señal de error e(t) que será la entrada del controlador que generará una salida de trabajo c(t) que a su vez se introducirá en el accionador para producir la señal u(t) apropiada que permitirá que el sistema pueda tener la salida y(t) buscada, esto se hace sucesivamente, siempre midiendo el valor de la salida para mantenerla en el valor deseado.

2) Sistemas de control a lazo abierto.

El sistema de control a lazo abierto es aquel en donde no hay captación de la salida, es decir, no se compara con una entrada de referencia, haciendo que no se produzca una señal de error, por lo tanto, en este tipo de sistemas, simplemente se coloca una entrada fija. Este tipo de sistemas se emplean cuando una entrada fija va a generar la salida deseada sin necesidad de que esta tenga que ser retroalimentada, es decir, ya se conoce el valor que la salida tendrá.

En la figura 2 podemos observar un sistema de control de lazo abierto en el que obviamente no hay retroalimentación de la salida, es decir, no hay ningún dispositivo que capte el valor de la salida, ya que sólo es necesario un Set-point.

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Set-Point: El Set-Point o punto de ajuste es el valor de la variable que se programa previamente en el controlador para fijar el punto donde se desea mantener la variable controlada.

Ejemplos

Analizaremos dos casos importantes.

Sistema de control de velocidad

En la siguiente imagen, tenemos un sistema de control de velocidad, en el mismo la cantidad de combustible a suministrar depende de la diferencia entre la velocidad del motor que se quiere obtener y la velocidad real.

Funciona de la siguiente manera: El regulador de velocidad se ajusta para que no fluya aceite a precisión a ningún lado del cilindro de potencia a la velocidad deseada.

Si la velocidad del motor pasa por encima de la velocidad deseada debido a una perturbación, el aumento en la velocidad centrífuga del regulador hace que la válvula de control se mueva hacia arriba, haciendo que se reduzca el suministro de combustible, y de esta manera disminuya la velocidad del motor hasta alcanzar el valor deseado.

Si la velocidad del motor cae por debajo del valor deseado, la disminución de la fuerza centrífuga del regulador hace que la válvula de control se mueva hacia abajo haciendo que se surta más combustible al motor y su velocidad aumente hasta alcanzar el valor deseado.

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La planta es el motor, la variable controlada es la velocidad de este, la señal de error es la diferencia entre la velocidad deseada y la velocidad real, la señal de control es la cantidad de combustible que se va a aplicar a la planta (motor) es la señal de actuación. La señal externa responsable de cambiar los valores de la variable controlada es la perturbación y esta se da cuando hay un cambio inesperado de la carga.

Sistema de control de temperatura

En la siguiente imagen podemos observar un sistema de control de temperatura, en el mismo se mide la temperatura del horno eléctrico, esta es una variable analógica y se convierte a temperatura digital a través de un conversor A/D, y se ingresa al controlador por medio de la interfaz para producir la señal de control que se genera al comparar esta temperatura con la temperatura deseada, siendo la misma la señal de error, luego a su vez se pasa a través de una interfaz, luego a un amplificador y luego al relé que ajustará la temperatura del horno al valor deseado.