Conceptos Clave en Sistemas de Control y Medición

Sistemas de Control: Lazo Cerrado vs. Lazo Abierto

La principal ventaja del lazo cerrado (ejemplos: control de velocidad de un motor, control de temperatura en un horno) frente al lazo abierto (ejemplos: lavadora con temporizador, calefacción simple, motor eléctrico sin realimentación) radica en su menor sensibilidad a:

• Perturbaciones externas.
• Variaciones de parámetros internos.
• Fallos o envejecimiento de componentes.

Conceptos Fundamentales

Función de Transferencia

Permite caracterizar el comportamiento dinámico de un sistema.

Acciones de Control

Las acciones de control son estrategias utilizadas por los reguladores para corregir el error entre el valor deseado y el valor medido.

Acción Proporcional (P)

La acción de control es una constante (Kp) multiplicada por el error actual. Esto proporciona una ganancia que reduce el error de manera constante, pero generalmente no lo elimina por completo en estado estacionario.

Acción Integral (I)

La acción de control es una constante (Ki) multiplicada por la suma acumulada de todos los errores pasados. De esta manera, la acción integral permite eliminar el error en estado estacionario.

Acción Derivativa (D)

En lugar de utilizar el error actual o pasado, utiliza una predicción futura del mismo, basándose en la pendiente de la curva de error. Busca anticiparse al error y su función principal es mantener el error al mínimo y mejorar la respuesta transitoria.

Controladores Combinados

La combinación de acciones de control da lugar a controladores más robustos:

• PI: La respuesta del regulador es la suma de las respuestas P e I. Esta combinación mejora la respuesta de un controlador P solo, y la acción I elimina el error en estado estacionario.
• PD: No es sensible a cambios en estado estable (ya que no tiene acción I) pero es muy sensible a ruidos en la señal de error debido a la derivación.
• PID: Combina las tres acciones (Proporcional, Integral, Derivativa). La sintonización de sus parámetros (Kp, Ki, Kd) afecta significativamente la estabilidad y el comportamiento dinámico del sistema.

Sintonización

Actualmente, muchos controladores disponen de un sistema de autosintonización para facilitar el ajuste de los parámetros PID en procesos industriales.

Sensores

Un sensor es un dispositivo que presenta algún parámetro eléctrico (o de otro tipo) que varía en función de la variación de otra magnitud física que se desea medir.

Tipos de Sensores

• Activos: Aquellos que emiten energía sobre el objeto o medio a medir y reciben una señal reflejada o modificada por el mismo (ejemplo: radar, sonar).
• Pasivos: Utilizan fuentes externas de energía (como la luz ambiental o el calor emitido por el objeto) para obtener información de los objetos (ejemplo: cámara de luz visible, termómetro infrarrojo pasivo).

Características de los Sistemas de Medida y Sensores

Características Estáticas

Describen el comportamiento del sensor o sistema de medida cuando la magnitud de entrada es constante o varía muy lentamente.

Exactitud

Capacidad que tiene un instrumento para dar indicaciones que se acerquen lo más posible al verdadero valor de la magnitud medida.

Fidelidad

Capacidad de un sistema de medida para dar el mismo valor al tomar varias veces la misma medida bajo las mismas condiciones.

Repetibilidad

Conceptualmente similar a la fidelidad, pero las medidas se realizan en un periodo corto de tiempo y bajo las mismas condiciones de operación.

Sensibilidad

Es la pendiente de la curva de calibración (salida vs. entrada). Indica cuánto cambia la salida del sensor por cada cambio en la entrada. Puede permanecer constante o no a lo largo del rango de medida.

Linealidad (Resolución)

Característica que expresa el grado de coincidencia de una recta determinada con la curva de calibración real. Cuanto más lineal es un sensor, más fácil es de parametrizar y más previsible es su comportamiento. Existen diferentes definiciones de linealidad: independiente, ajustada a cero, terminal, de extremos, teórica.

Factores Relacionados con la Linealidad y Resolución

• Resolución: El incremento mínimo en la magnitud de entrada que produce un cambio detectable en la medida de salida.
• Umbral (Llindar): Si el incremento en la entrada parte de cero, el valor mínimo detectable es el umbral.
• Histéresis: La diferencia entre la salida obtenida para un valor de entrada dado cuando la entrada está aumentando, y la salida obtenida para el mismo valor de entrada cuando la entrada está disminuyendo.

Características Dinámicas

Describen el comportamiento del sensor o sistema de medida cuando la magnitud de entrada varía rápidamente con el tiempo.

Error Dinámico

Diferencia entre el valor indicado por el instrumento y el valor exacto de la magnitud medida cuando esta varía en el tiempo, asumiendo que el error estático es nulo.

Velocidad de Respuesta

Indica la rapidez con la que el sistema de medida responde a cambios en la variable de entrada. Esta característica es determinante en sistemas de control donde la variable de proceso cambia rápidamente.