8/17/2019 8. Clasificación de Los Sistemas de Control (1)

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Clasificación de los Sistemas de Control

Introducción

Los sistemas de control pueden ser clasificados en Manuales y Automáticos. Elsistema 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 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 entradamanipulable. 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. Elajuste 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 lacondición del pan o debido a alguna otra razón, el tostador no puede automáticamentealterar el tiempo que el calor es aplicado al pan. ¿Alguna vez se le ha quemado elpan?Otro ejemplo es un motor DC utilizado para mover una determinada carga, ver figura 2Para un valor dado de la corriente de campo, un cierto valor de voltaje es aplicado a laarmadura para producir el valor deseado de la velocidad del motor.

Ilustración 2.

En este caso, el voltaje de armadura aplicado es la entrada y la velocidad del eje delmotor es la salida. Una variación de la velocidad respecto al valor deseado, debido a

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un cambio en la carga mecánica en el eje, no puede de ninguna manera causar uncambio en el valor del voltaje de armadura aplicado para mantener la velocidaddeseada.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 aracteríst ica qu e dist ing ue a los sistemas de con trol de lazo abierto es que

estos no p ueden compensar ninguna perturbación y so n simplemente di rig idospo r la entrad a.

Bajo la presencia de perturbaciones un sistema de control de lazo abierto no realizarála tarea deseada. En estos sistemas, la salida no es comparada con la entrada y paracada entrada existe una condición de operación fija. La precisión del sistema dependede la calibración del mismo.

Los sistemas de control de lazo abierto pueden ser usados, en la práctica, solamentesi la relación entre la entrada y la salida es conocida y si no existen perturbacionesinternas 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 deenjuague, lavado, etc. operan sobre una base temporal (temporización). La máquinano 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 lazoabierto.

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

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deseado, el operador puede manipular la válvula de salida a fin de mantener el nivelconstante. El operador provee un medio a través del cual la salida es llevada hacia laentrada (feedback) y comparada con la señal de entrada. Cualquier cambio necesariopara lograr que la salida sea igual al valor deseado es realizado.

Los s istemas en los c uales la salida t iene un efecto so bre la entrada manipulable

son l lamados sistemas de c ontro l en lazo cerrado . En este tipo de sistema, lasperturbaciones son compensadas midiendo la señal de salida y llevándola hacia laentrada (feedback) para compararla con la señal de entrada (referencia). Si existealguna diferencia entre ambas señales la corrección necesaria para que la salidatienda a igualar a la entrada es realizada.La figura 5 muestra el diagrama de bloques correspondiente a un sistema de lazoabierto.

Ilustración 5.

Otro ejemplo que puede ayudar a entender el funcionamiento de los sistemas de lazocerrado es el manejo de un carro. En este caso, la ruta, la velocidad y la aceleraciónson determinadas y controladas por el conductor. El conductor logra lo anteriorobservando el tráfico y las condiciones de la carretera y mediante la manipulación delacelerador, el clutch, los breques, y el timón del carro.Supongamos que el conductor desea mantener una velocidad de 50 Km/h (respuestadeseada). El acelera el carro hasta alcanzar la velocidad deseada.Dicha velocidad es mantenida en el valor deseado manteniendo constante la presiónque ejerce el pie sobre el acelerador. Mientras no haya pendientes u otrasperturbaciones en la carretera, no habrá ningún error en la velocidad. La velocidadactual del automóvil es medida e indicada en el velocímetro en el tablero del carro. Elconductor lee la velocidad actual y la compara con la velocidad deseada(mentalmente). Si hay alguna desviación el conductor toma la decisión de incrementaro disminuir (según sea el caso) la velocidad. La decisión es ejecutada cambiando lapresión ejercida por el pie (potencia muscular) sobre el acelerador.El sistema descrito requiere del continuo control manual de parte del conductor y por lotanto es clasificado como un sistema de control manual.

Retroalimentación

El proceso de medir la señal de salida y llevarla hacia la entrada para compararla conla señal de referencia es denominado “retroalimentación.” Este  proceso afecta elcomportamiento del sistema ya que incide directamente en las característicasprincipales 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).

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Otros aspectos del sistema que son afectados por la retroalimentación son lossiguientes:• ancho de banda• ganancia total• impedancia• sensibilidad• estabilidad• etc.

La estabilidad es un concepto que describe si un sistema será capaz de seguir unaentrada de comando. Sin aplicar conceptos rigurosos, se dice que un sistema esinestable cuando su salida está fuera de control o aumenta sin límites. Laretroalimentación puede ser usada para lograr que un sistema que es inestable seaconvertido a un sistema estable. Si la retroal imentación no es usadaadecuadamente, un sistema estable puede ser conv ert ido a un sis tema inestable

lo cual no es aceptable para un sistema de control.

Las consideraciones desensibilidad

suelen tener un papel importante en el diseño delos sistemas de control. Puesto que todos los elementos físicos tienen propiedadesque pueden cambiar con el medio ambiente y su tiempo de uso, no siempre es posibleconsiderar que los parámetros de un sistema de control pueden ser totalmenteestacionarios en el intervalo total de la vida operacional del sistema de control. Laretroalimentación es un proceso que puede ayudar en la reducción de la sensibilidaddel sistema.Todos los sistemas físicos de control están sometidos a señales extrañas o ruidodurante su operación. Algunos ejemplos de estas señales son el voltaje de ruidotérmico en los amplificadores electrónicos y el ruido de escobillas o conmutadores enlos motores eléctricos. En muchas situaciones, la retroalimentación puede reducir elefecto del ruido sobre el desempeño del sistema.

Sistemas de control de Lazo abierto Vs. Sistemas de Control de Lazo Cerrado.

Una de las ventajas de los sistemas de control de lazo cerrado es el hecho de que eluso de la retroalimentación hace que la respuesta del sistema sea relativamenteinsensitiva a las perturbaciones externas y a las variaciones internas en losparámetros del sistema. Por lo tanto, es posible usar componentes no muy exactos ybaratos para obtener un control exacto de una planta dada, lo cual es imposible en unsistema de lazo abierto.Desde el punto de vista de la estabilidad, el sistema de control de lazo abierto es másfácil de construir ya que la estabilidad del sistema no es un problema mayor. Por otrolado, la estabilidad es un problema mayor en un sistema de control de lazo cerrado, elcual 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 cuandoperturbaciones no predecibles y / o variaciones impredecibles en los componentes delsistema están presentes.El número de componentes usados en un sistema de lazo cerrado es mayor que elcorrespondiente a un sistema de lazo abierto. De este modo, el sistema de control delazo cerrado tiene costos generalmente mayores.