Control Automático: Fundamentos, Tipos de Lazo y Estabilidad de Sistemas

Introducción a los Sistemas de Control Automático

Un sistema de control automático es un conjunto de dispositivos que, debidamente acoplados y coordinados, tienen por finalidad conseguir el funcionamiento autónomo de máquinas y procesos, y la reducción al mínimo de la intervención humana en ellos.

Tipos de Sistemas de Control

Sistemas de Control de Lazo Abierto

Son sistemas en los que la señal de salida no tiene influencia en la señal de entrada. La variable que queremos controlar puede divergir considerablemente del valor deseado debido a la presencia de perturbaciones externas, por lo que en este tipo de sistemas interesa una buena calibración de los componentes que forman las diversas etapas, así como la inexistencia de dichas perturbaciones.

Esquema Básico

• Señal de mando
• Transductor
• Señal de referencia
• Amplificador
• Señal de control
• Proceso
• Salida

Ejemplos Comunes

• Tostador de pan
• Lavadora (ciclo básico sin sensores de carga/suciedad)
• Horno (sin termostato de realimentación)

Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Realimentados)

Si en un proceso se presentan perturbaciones, resulta más conveniente cuantificar o referenciar la señal controladora e intervenir en la cadena de mando para que la señal controlada se parezca lo más posible a la señal de mando. Son sistemas en los que existe una realimentación de la señal de salida.

Esquema Detallado

• Señal de mando
• Transductor
• Señal de referencia
• Comparador (o "bola" en algunos diagramas)
• Señal activa (señal de error)
• Regulador
• Señal manipulada
• Proceso
• Señal controlada
• Captador y señal realimentada (por debajo, indicando el bucle de realimentación)

El captador mide la señal controlada y la transforma en una señal que puedan entender el resto de los componentes del sistema controlador. El siguiente paso consiste en comparar la señal de referencia con la señal controlada (que el captador ha transformado en señal realimentada) para determinar la diferencia entre ambas. Esto se realiza mediante un comparador que proporciona a su salida una señal de error, denominada señal activa, y es la que entra al regulador. Este debe actuar de forma que la variable controlada siga las variaciones de la variable de referencia o corrija los efectos de las perturbaciones con la máxima rapidez, exactitud y el mínimo de oscilaciones posible. A la salida del controlador obtenemos la señal manipulada precisa para conseguir un control óptimo del sistema.

Ejemplos Prácticos

• Control de potencia de un generador eléctrico
• Sistemas de control de nivel de líquidos

Ventajas

• Más exacto en la igualación de los valores real y requerido para la variable.
• Menos sensible a las perturbaciones y a los cambios en las características de los componentes.
• El ancho de banda es mayor.

Inconvenientes

• Existe una gran probabilidad de inestabilidad.
• El sistema es más complejo y más propenso a desperfectos.
• Hay pérdidas de ganancia.

Conceptos Clave en Sistemas de Control

Función de Transferencia

La función de transferencia F(s) es el cociente entre la transformada de Laplace de la señal de salida y la transformada de Laplace de la entrada. Aunque el texto original menciona f(t), en el contexto de Laplace, se refiere comúnmente a F(s).

Estabilidad de un Sistema

La estabilidad de un sistema se determina por su respuesta a las entradas o perturbaciones. Un sistema es estable si su respuesta al impulso tiende a cero o permanece acotada, o si cada entrada limitada produce una salida limitada.

Regla de Mason

La Regla de Mason es una técnica para determinar la función de transferencia de un sistema a partir de su diagrama de flujo de señales. Su expresión general es: 1/Δ Σ P_kΔ_k.