Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Indice de contenidos
- ¿Qué es un sistema de control?
- Tipos de sistemas de control
- Sistema de control de lazo abierto
- Sistema de control de circuito cerrado
- Ejemplos prácticos de sistema de control de circuito cerrado
- Ventajas del sistema de control de circuito cerrado
- Desventajas del sistema de control de circuito cerrado
- Sistemas de control de bucle abierto frente a bucle cerrado
- Bucle de retroalimentación en un sistema de control de bucle cerrado
- Efecto de la retroalimentación en un sistema de control
¿Qué es un sistema de control?
Un sistema de control se define como un sistema de dispositivos que administra, ordena, dirige o regula el comportamiento de otros dispositivos o sistemas para lograr un resultado deseado. Un sistema de control logra esto a través de bucles de control, que son un proceso diseñado para mantener una variable de proceso en un punto de ajuste deseado.
En otras palabras, la definición de un sistema de control se puede simplificar como un sistema que controla otros sistemas. A medida que la civilización humana se moderniza día a día, la demanda de automatización ha aumentado junto a ella. La automatización requiere control sobre los sistemas de dispositivos que interactúan.
En los últimos años, los sistemas de control han jugado un papel central en el desarrollo y avance de la tecnología y la civilización modernas. Prácticamente todos los aspectos de nuestro día a día se ven afectados más o menos por algún tipo de sistema de control.
Ejemplos de sistemas de control en su vida diaria incluyen un acondicionador de aire, un refrigerador, un acondicionador de aire, un tanque de inodoro en el baño, una plancha automática y muchos procesos dentro de un automóvil, como el control de crucero.
En entornos industriales, encontramos sistemas de control en el control de calidad de productos, sistema de armas, sistemas de transporte, sistemas de energía, tecnología espacial, robótica y mucho más.
Los principios de la teoría de control son aplicables tanto al campo de la ingeniería como al no relacionado con la ingeniería. Puede obtener más información sobre los sistemas de control estudiando los MCQ de nuestros sistemas de control .
Características de un sistema de control
La característica principal de un sistema de control es que debe haber una relación matemática clara entre la entrada y la salida del sistema.
Cuando la relación entre la entrada y la salida del sistema se puede representar mediante una proporcionalidad lineal, el sistema se denomina sistema de control lineal.
Nuevamente, cuando la relación entre la entrada y la salida no se puede representar mediante una proporcionalidad lineal simple, sino que la entrada y la salida están relacionadas por alguna relación no lineal, el sistema se denomina sistema de control no lineal.
Requisitos de un buen sistema de control
Precisión: La precisión es la tolerancia de medición del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se utiliza en condiciones normales de funcionamiento.
La precisión se puede mejorar mediante el uso de elementos de retroalimentación. Para aumentar la precisión de cualquier sistema de control, el detector de errores debe estar presente en el sistema de control.
Sensibilidad: Los parámetros de un sistema de control siempre cambian con el cambio en las condiciones circundantes, perturbaciones internas o cualquier otro parámetro.
Este cambio se puede expresar en términos de sensibilidad. Cualquier sistema de control debe ser insensible a tales parámetros pero sensible solo a las señales de entrada.
Ruido: una señal de entrada no deseada se conoce como ruido. Un buen sistema de control debería poder reducir el efecto de ruido para un mejor rendimiento.
Estabilidad: es una característica importante del sistema de control. Para la señal de entrada acotada, la salida debe estar acotada y si la entrada es cero, entonces la salida debe ser cero, entonces se dice que dicho sistema de control es un sistema estable.
Ancho de banda: un rango de frecuencia operativa decide el ancho de banda del sistema de control. El ancho de banda debe ser lo más grande posible para la respuesta de frecuencia de un buen sistema de control.
Velocidad: es el tiempo que tarda el sistema de control en lograr su salida estable. Un buen sistema de control posee alta velocidad. El período transitorio para tal sistema es muy pequeño.
Oscilación: una pequeña cantidad de oscilaciones u oscilaciones constantes de salida tiende a indicar que el sistema es estable.
Tipos de sistemas de control
Existen varios tipos de sistemas de control , pero todos se crean para controlar las salidas. El sistema utilizado para controlar la posición, velocidad, aceleración, temperatura, presión, voltaje y corriente, etc. son ejemplos de sistemas de control.
Tomemos un ejemplo del controlador de temperatura simple de la habitación, para aclarar el concepto. Suponga que hay un elemento calefactor simple, que se calienta mientras la fuente de alimentación eléctrica está encendida.
Mientras el interruptor de suministro de energía del calentador esté encendido, la temperatura de la habitación aumenta y después de alcanzar la temperatura deseada de la habitación, la fuente de alimentación se apaga.
Nuevamente, debido a la temperatura ambiente, la temperatura ambiente desciende, y luego se enciende manualmente el elemento calefactor para alcanzar nuevamente la temperatura ambiente deseada. De esta manera, se puede controlar manualmente la temperatura ambiente al nivel deseado. Este es un ejemplo de un sistema de control manual .
Este sistema se puede mejorar aún más mediante el uso de una disposición de conmutación de temporizador de la fuente de alimentación en la que el suministro al elemento calefactor se enciende y apaga en un intervalo predeterminado para lograr el nivel de temperatura deseado de la habitación.
Existe otra forma mejorada de controlar la temperatura de la habitación. Aquí un sensor mide la diferencia entre la temperatura real y la temperatura deseada.
Si hay alguna diferencia entre ellos, el elemento calefactor funciona para reducir la diferencia y cuando la diferencia es menor que un nivel predeterminado, los elementos calefactores dejan de funcionar.
Ambas formas del sistema son sistema de control automático . En el primero, la entrada del sistema es completamente independiente de la salida del sistema. La temperatura de la habitación (salida) aumenta mientras se mantiene encendido el interruptor de alimentación.
Eso significa que el elemento calefactor produce calor mientras la fuente de alimentación se mantenga encendida y la temperatura ambiente final no tenga ningún control sobre la fuente de alimentación de entrada del sistema. Este sistema se conoce como sistema de control de bucle abierto .
Pero en el último caso, los elementos calefactores del sistema funcionan, dependiendo de la diferencia entre la temperatura real y la temperatura deseada. Esta diferencia se llama error del sistema.
Esta señal de error se retroalimenta al sistema para controlar la entrada. Como la entrada a la ruta de salida y la ruta de retroalimentación de error crean un circuito cerrado, este tipo de sistema de control se conoce como un sistema de control de circuito cerrado .
Por tanto, existen dos tipos principales de sistemas de control . Son los siguientes
- Sistemas de control de bucle abierto
- Sistemas de control de circuito cerrado
Sistema de control de lazo abierto
Un sistema de control en el que la acción de control es totalmente independiente de la salida del sistema, se denomina sistema de control de bucle abierto . Un sistema de control manual es también un sistema de control de bucle abierto.
La siguiente figura muestra un diagrama de bloques del sistema de control de un sistema de control de bucle abierto en el que la salida del proceso es totalmente independiente de la acción del controlador.
Ejemplos prácticos de sistemas de control de lazo abierto
Ejemplos de sistemas de control de circuito abierto en la vida diaria incluyen:
- Secador de manos eléctrico : sale aire caliente (salida) siempre que mantenga la mano debajo de la máquina, independientemente de cuánto esté seca.
- Lavadora automática : esta máquina funciona según el tiempo preestablecido, independientemente de que el lavado se haya completado o no.
- Tostadora de pan : esta máquina funciona según el tiempo ajustado, independientemente de que el tostado se haya completado o no.
- Tetera / cafetera automática : estas máquinas también funcionan solo por tiempo preestablecido.
- Secadora de ropa con temporizador : esta máquina seca la ropa mojada durante un tiempo preestablecido, no importa cuánto se seque la ropa.
- Interruptor de luz : las lámparas se iluminan siempre que el interruptor de luz está encendido independientemente de si se requiere luz o no.
- Volumen en el sistema estéreo : el volumen se ajusta manualmente independientemente del nivel de volumen de salida.
Ventajas de los sistemas de control de lazo abierto
Las ventajas de los sistemas de control de bucle abierto incluyen:
- Simple en construcción y diseño.
- Económico.
- Facil de mantener.
- Generalmente estable.
- Cómodo de usar ya que la salida es difícil de medir.
Desventajas del sistema de control de bucle abierto
Las desventajas de los sistemas de control de bucle abierto incluyen:
- Son inexactos.
- No son fiables.
- Cualquier cambio en la salida no se puede corregir automáticamente.
Sistema de control de circuito cerrado
Los sistemas de control en los que la salida tiene un efecto sobre la cantidad de entrada de tal manera que la cantidad de entrada se ajustará a sí misma en función de la salida generada se denominan sistema de control de bucle cerrado .
Un sistema de control de bucle abierto se puede convertir en un sistema de control de bucle cerrado proporcionando retroalimentación. Esta retroalimentación realiza automáticamente los cambios adecuados en la salida debido a perturbaciones externas.
De esta forma, un sistema de control de circuito cerrado se denomina sistema de control automático. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques del sistema de control de bucle cerrado en el que la retroalimentación se toma de la salida y se alimenta a la entrada.
Ejemplos prácticos de sistema de control de circuito cerrado
Ejemplos de sistemas de control de circuito abierto en la vida diaria incluyen:
- Plancha eléctrica automática : los elementos calefactores están controlados por la temperatura de salida de la plancha.
- Estabilizador de voltaje servo : el controlador de voltaje funciona según el voltaje de salida del sistema.
- Controlador de nivel de agua : el agua de entrada se controla mediante el nivel de agua del depósito.
- Lanzamiento de misiles y seguimiento automático por radar : la dirección del misil se controla comparando el objetivo y la posición del misil.
- Un acondicionador de aire : un acondicionador de aire funciona según la temperatura de la habitación.
- Sistema de refrigeración en el automóvil : funciona según la temperatura que controla.
Ventajas del sistema de control de circuito cerrado
Las ventajas de los sistemas de control de circuito cerrado incluyen:
- Los sistemas de control de circuito cerrado son más precisos incluso en presencia de no linealidad.
- Altamente preciso ya que cualquier error que surja se corrige debido a la presencia de una señal de retroalimentación.
- El rango de ancho de banda es grande.
- Facilita la automatización.
- La sensibilidad del sistema puede reducirse para que sea más estable.
- Este sistema se ve menos afectado por el ruido.
Desventajas del sistema de control de circuito cerrado
Las desventajas de los sistemas de control de circuito cerrado incluyen:
- Son más costosos.
- Son complicados de diseñar.
- Requiere más mantenimiento.
- La retroalimentación conduce a una respuesta oscilatoria.
- La ganancia general se reduce debido a la presencia de retroalimentación.
- La estabilidad es el problema principal y se necesita más cuidado para diseñar un sistema de circuito cerrado estable.
Sistemas de control de bucle abierto frente a bucle cerrado
La siguiente tabla compara los sistemas de control de bucle abierto y de bucle cerrado.
No Señor. | Sistema de control de lazo abierto | Sistema de control de circuito cerrado |
1 | El elemento de retroalimentación está ausente. | El elemento de retroalimentación siempre está presente. |
2 | No hay un detector de errores. | Siempre hay un detector de errores. |
3 | Es estable. | Puede volverse inestable. |
4 | Fácil de construir. | Construcción complicada. |
5 | Es economico. | Es costoso. |
6 | Tener un ancho de banda pequeño. | Tener un gran ancho de banda. |
7 | Es inexacto. | Es exacto. |
8 | Menos mantenimiento. | Más mantenimiento. |
9 | No es confiable. | Es confiable. |
10 | Ejemplos: secador de manos, tetera | Ejemplos: estabilizador de voltaje servo, transpiración |
Bucle de retroalimentación en un sistema de control de bucle cerrado
La retroalimentación es una herramienta común y poderosa al diseñar un sistema de control . El circuito de retroalimentación es la herramienta que toma en consideración la salida del sistema y permite que el sistema ajuste su desempeño para alcanzar el resultado deseado del sistema.
En cualquier sistema de control, la salida se ve afectada por un cambio en las condiciones ambientales o cualquier tipo de perturbación. Entonces, se toma una señal de la salida y se retroalimenta a la entrada.
Esta señal se compara con una entrada de referencia y se genera la señal de error. Esta señal de error se aplica al controlador y se corrige la salida. Tal sistema se llama sistema de retroalimentación. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un sistema de retroalimentación.
Cuando la señal de retroalimentación es positiva, el sistema se denomina sistema de retroalimentación positiva. Para un sistema de retroalimentación positiva, la señal de error es la adición de una señal de entrada de referencia y una señal de retroalimentación.
Cuando la señal de retroalimentación es negativa, el sistema se denomina sistema de retroalimentación negativa. Para el sistema de retroalimentación negativa, la señal de error viene dada por la diferencia entre la señal de entrada de referencia y la señal de retroalimentación.
Efecto de la retroalimentación en un sistema de control
Las siguientes etiquetas se aplican a la figura siguiente:
R = señal de entrada
E = señal de error
G = ganancia de la ruta de avance
H = retroalimentación
C = señal de salida
B = señal de retroalimentación
La retroalimentación tiene los siguientes efectos en un sistema de control:
- Se reduce el error entre la entrada del sistema y la salida del sistema.
- La ganancia del sistema se reduce en un factor 1 / (1 ± GH).
- Mayor insensibilidad (es decir, menos reactiva al cambio).
- Se mejora la estabilidad.