Que es un Sistema de control

Un sistema de control.

Elementos de un sistema de control 1.2.1 Elementos del sistema Consideremos el caso de un robot de seis grados de libertad, como el ilustrado en la Figura 1.5. Por experiencia (o intuición) sabemos que un robot requiere moverse utilizando actuadores ELECTROMECÁNICOS O HIDRÁULICOS y que, de una u otra forma, podemos tener mediciones de su posición y orientación. Por simplicidad, digamos que el robot tiene el conocimiento de dichas mediciones en coordenadas, tanto cartesianas como angulares, y que requiere simplemente una señal de control de nivel de fuerza para mover el actuador en tal o cual sentido.

Sistemas en lazo abierto y lazo cerrado. Una herramienta muy aceptada para el análisis de sistemas es la representación por diagrama DE BLOQUES de los elementos del sistema. Esta representación describe la lógica del funcionamiento de una manera secuencial, lo cual permite modelar el sistema y encontrar errores de diseño en el mismo. Consideremos el siguiente diagrama de bloques de la Figura 1.6. Este diagrama, al cual denominaremos lazo de control, muestra una lógica de interconexión de bloques que incluye los elementos de control anteriormente vistos. El lazo de control de la Figura 1.6 es lo que conocemos como un lazo abierto de control. En este tipo de lazos de control la entrada del sistema actúa directamente sobre el controlador, para producir mediante el actuador el efecto deseado en la salida .

Variables del sistema de control

Retomemos ahora el caso del robot industrial. Hemos visto cómo este sistema puede ser representado por bloques y la necesidad de representarlo en un lazo cerrado de control. Veamos ahora algunas definiciones de señales internas que serán de utilidad para el análisis de sistemas de control retroalimentado. Dado que estas señales pueden ser representadas mediante formulaciones matemáticas, son también referidas como VARIABLES DEL SISTEMA DE CONTROL. Estas señales son importantes para entender y evaluar el desempeño del lazo de control.

Sistemas de control Logo de siemens

Variable de salida: Como su nombre lo indica, esta variable o señal corresponde a la salida del sistema, es decir, la medición que queremos obtener.

Por ejemplo, en este caso, el sistema de control tiene como variable de salida a la posición del sistema dinámico, puesto que la referencia es una posición. »

Variable de salida medida: Esta señal corresponde a la presencia de elementos de sensado. En un sistema de sensado con cero errores de medición, esta señal debería de ser igual a la variable de salida. Sin embargo, al existir errores de calibración del instrumento y errores intrínsecos del sensor, es posible que dicho valor sea diferente al valor actual. »

Error: En un sistema de lazo cerrado, el error es una de las señales más importantes a considerar. Los controladores que se verán en este curso están diseñados para cancelar dicho error o reducirlo a lo menos posible, en el caso de una retroalimentación negativa unitaria.

Jerarquía de control

Retomemos el ejemplo del robot, pero ahora considerémoslo como un elemento integrado de una cadena de manufactura. Gracias a tus cursos de sistemas digitales, laboratorio de instrumentación y de tu misma intuición de ingeniero posees nociones de cómo un robot mueve una pieza del punto A al punto B. Digamos, pues, que el robot tiene que mover una puerta de vehículo del punto A (lote de puertas manufacturadas) al punto B (en su ubicación correcta en el chasis). En la práctica, esto requiere un control multinivel, conocido como jerarquía de control.

Sistemas de Control de bajo nivel:

Este control es el objetivo de nuestro curso. Una vez que tenemos la trayectoria de nuestro robot, es necesario moverlo físicamente en su espacio de trabajo, paso por paso. De ahí, se puede asumir que la trayectoria no es una trayectoria de A a B, sino varias divisiones intercaladas (por decir, del punto A al punto A + 5 cm).

Sistemas de control on/off

L o s SISTEM AS on/off son sistemas físicos que consideran solamente dos estados de operación. Sin necesidad de utilizar un ejemplo en ambiente industrial, consideremos un switch de encendido de una habitación.

Si está apagado, no hay luz en la habitación. Si está prendido, hay luz. Esta lógica corresponde más bien a un sistema de lazo cerrado aunque, dependiendo de la lógica de control, puede ser también implementada dentro de un lazo cerrado, pero fuera del contexto de lo enseñado en este libro. Un ejemplo clásico de lo anterior, es el nivel del tanque de agua.

Por ejemplo, uno puede considerar mediciones del tanque de agua y, si llega a cierto nivel, el sensor (un dispositivo flotador con un contacto) se activa y cierra la válvula de entrada. Pero si el nivel de agua baja de dicho nivel, el sensor se apaga (es decir, el contacto se abre).

Esta regulación, un poco menos sofisticada, es idéntica a los relojes de agua griegos que mencionábamos en la sección 1.1. En un ambiente industrial es todavía fácil encontrar ACTUADORES Y CONTROLADORES A NIVEL on/off. Una válvula hidráulica, por ejemplo, no puede quedar a medio nivel, sino que tiene que encontrar su posición final entre las posiciones desplegado y replegado. Igualmente un relevador electromecánico o contactor para alta potencia, tiene solamente dos posiciones on/off.

Sistemas de control distribuido El PLC es un elemento central en una arquitectura jerárquica de control donde los elementos están conectados a través de redes de comunicación industriales. Esta arquitectura es lo que conocemos como SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO .

Este tipo de sistemas se originaron de la necesidad de sistemas de control a gran escala para aplicaciones de manufactura y plantas de energía a mediados de los años 70. Esta arquitectura ha ido evolucionando progresivamente, a medida que tanto las computadoras como los controladores fueron mejorando y reduciendo su tamaño y costo de producción.

Sistemas teleoperados

Un último tipo de sistemas de control a discutir aquí consiste en los SISTEMAS TELEOPERADOS . Básicamente, consisten en una arquitectura idéntica a los SISTEMAS DISTRIBUIDOS . Solamente que, para el tipo de sistemas distribuidos, se considera una red de área local con un límite de distancia. El uso extendido de Ethernet durante los años 90, impulsado sobre todo por el desarrollo de Internet, permitió la introducción de un concepto de teleoperación que, si bien existía desde los años 80, fue más fácil de implementar para control supervisor e inclusive para aplicaciones de control en tiempo real vía Internet. Esto permite que un operario tenga acceso a elementos de una red industrial de manufactura sin necesidad de estar presente. En la realidad, sin embargo, es necesario tener en cuenta complicaciones como los retardos de comunicación o las pérdidas de comunicación durante la transmisión.

Uno de los graves errores al estudiar sistemas de control automático es pensar que sus aplicaciones se cierran exclusivamente al área ingenieril e industrial. Una visión diferente de esto, aunque algo más abstracta y compleja, se puede encontrar en Astrom & Murray (2008).

En este ejercicio integrador invitamos al alumno a leer el Capítulo 1, sección 3 para conocer APLICACIONES DEL CONTROL RETROALIMENTADO EN BIOLOGÍA, ECONOMÍA Y, POR SUPUESTO, EN tecnologías actuales. Queda a criterio del profesor solicitar un ensayo de una cuartilla para este tema si lo considera adecuado.

Asimismo, sería deseable que el alumno realice sus propias aportaciones, buscando en Internet otras aplicaciones de los sistemas de control.

Conclusión del capítulo 1

L o s SISTEMAS DE CONTROL MODERNO

están presentes en diversos aspectos de la vida cotidiana. Es imposible pensar en una sociedad en donde el CONTROL AUTOMÁTICO no existiera, puesto que nos pondría de regreso en la época isabelina de la tecnología. Es claro que dichos avances en control automático (al igual que muchos otros avances tecnológicos en otros campos) están ligados con épocas de intenso interés en el desarrollo.

Por ejemplo la Revolución industrial atrajo el diseño de reguladores cinemáticos y su estudio. Asimismo, el periodo de la segunda Guerra Mundial vio un crecimiento mayor en el desarrollo de servomecanismos, electrónica y comunicaciones. En el caso que nos concierne, la mayoría de los avances teóricos sucedieron en los años durante la guerra y, dadas las restricciones de seguridad, los primeros textos aparecieron hasta finales de la década de los 40.

En este capítulo hemos introducido principalmente el concepto de LAZO DE CONTROL Y LA NECESIDAD DE RETROALIMENTACIÓN NEGATIVA . Existe la retroalimentación positiva, pero por lo general desemboca en inestabilidad del sistema y ésta es solamente usada en casos particulares.

De ahí que en adelante utilizaremos sólo retroalimentación negativa. Se describió además una METODOLOGÍA DE CONTROL muy empleada en el medio industrial, que es el CONTROL POR JERARQUÍA , también conocido como control supervisor. Finalmente, se mostraron los TIPOS DE CONTROLADORES disponibles que existen y sus diversas aplicaciones en el campo industrial.

Más allá de eso, la intención de este capítulo (y del eBook en general) es proporcionar conocimientos, de la manera más clara posible, para servir como un texto introductorio en sistemas de control. Muchos otros textos han sido escritos sobre dichos sistemas, unos con mayor rigor matemático y otros enfocados en la práctica.

ESTE TEXTO ESTÁ DISEÑADO PARA REFORZAR LOS CONCEPTOS DE FONDO SIN DESCUIDAR LA PARTE MATEMÁTICA . La paciencia y la constancia son la clave para entender este material, al igual que una consulta breve para profundizar los libros clásicos de consulta de este tipo (Dorf 2010; Franklin, 2009; Golnaraghi y Kuo 2009; Nise 2010; y Ogata, 2009). Lectores con un conocimiento más avanzado de sistemas o procesamiento de señales pueden referirse a (Astrom y Murray, 2008; y Doyle 2009;). Independientemente del campo profesional a elegir,

EL CONTROL AUTOMÁTICO está presente en todas las ingenierías y, de una u otra forma, se espera que el lector desarrolle las nociones y los fundamentos matemáticos para poder resolver dichos sistemas. El control automático, al ser una disciplina más bien generalista, permite al ingeniero de control trabajar en cualquier dominio de la ingeniería para aplicar sus conocimientos orientados a un mejor desempeño del sistema a controlar.