Sistemas Automáticos de Control: Conceptos, Tipos y Aplicaciones

Sistemas Automáticos de Control

Un sistema automático de control es un conjunto de componentes físicos conectados o relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación por sí mismos.

Necesidad y Aplicaciones de los Sistemas Automáticos de Control

La implantación y el desarrollo de los sistemas de regulación están presentes en infinidad de sectores: en el ámbito doméstico, en los procesos industriales, en el desarrollo tecnológico y científico, provocando avances significativos en todos los campos.

En la producción industrial su utilización permite:

• Aumentar la calidad y la cantidad del producto fabricado.
• Mejorar los sistemas de seguridad del proceso industrial.
• Ejecutar operaciones cuya realización sería impensable con la única participación del hombre.
• Reducir enormemente los costes productivos.

Conceptos Clave

Variables del sistema: Toda magnitud física susceptible de ser sometida a vigilancia y control, que define el comportamiento de un sistema (velocidad, temperatura, posición, etc.).

Entrada: Excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta.

Salida: Respuesta proporcionada por el sistema de control al estímulo de la entrada.

Perturbación: Señal no deseada que modifica de forma adversa y de modo imprevisto el funcionamiento del sistema.

Planta: Sistema sobre el que deseamos realizar el control.

Sistema: Conjunto de dispositivos que actúan interrelacionados para realizar el control. Los sistemas de control reciben la información facilitada por los sensores y, tras ser procesada, se utiliza para controlar los actuadores.

Señal de referencia: Señal de entrada conocida que nos sirve para calibrar al sistema.

Señal de error: Señal obtenida en la salida del comparador entre la señal de referencia y la señal realimentada.

Unidad de realimentación: Conjunto de dispositivos que captan la variable controlada, la acondicionan y llevan al comparador.

Actuador: Elemento que recibe una orden desde el regulador o controlador y la adapta a un nivel adecuado.

Transductor: Elemento que transforma una magnitud física en otra que es capaz de ser interpretada por el sistema.

Ejemplos de Sistemas de Control

• Sistemas naturales: Por ejemplo, el control de la temperatura del cuerpo humano, por medio de la transpiración. La entrada del sistema es la temperatura habitual de la piel, y la salida, su temperatura actual.
• Sistemas realizados por el hombre: Control de temperatura mediante termostato. La entrada del sistema es la temperatura de referencia que se considera idónea y se programa en el termostato (comparador); y la salida del sistema es la temperatura de una habitación. Si la temperatura de salida es menor que la de entrada, se producirá calor hasta conseguir que la temperatura de la habitación sea igual a la de referencia, momento en que la calefacción se desconecta de modo automático.
• Sistemas mixtos: Son mezcla de los anteriores. Un ejemplo sería el control de la dirección de un automóvil. La entrada es la dirección de la carretera, y la salida es la dirección del automóvil. Por medio del cerebro, los ojos, las manos, y también el vehículo, el conductor controla y corrige la salida para ajustarla a la entrada.

Tipos de Señales

• Analógicas: Pueden adquirir infinitos valores (el conjunto de números reales) en cualquier intervalo continuo de tiempo. La variación de la señal constituye una gráfica continua.
• Digitales: Pueden adquirir únicamente valores concretos (entre 0 y 1), es decir, no varían a lo largo de un cierto intervalo de tiempo. La variación de la señal constituye una gráfica discontinua.

Conversión de Señal Analógica a Digital (ADC)

Para realizar esta función, el conversor ADC tiene que ejecutar los siguientes procesos:

1. Muestreo de la señal analógica.
2. Cuantización de la propia señal.
3. Codificación

Muestreo (Sampling)

Consiste en tomar diferentes muestras del valor de la señal (tensión, presión, etc.). La frecuencia con que se realiza el muestreo se denomina razón o tasa. Cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, más fidelidad tendrá la señal digital obtenida.

En el proceso de muestreo se asignan valores numéricos que equivalen al valor de la señal en distintos instantes de tiempo, para así poder realizar a posteriori el proceso de cuantización o codificación del resultado en código binario.

Cuantización (Quantization)

Los valores continuos de la señal se convierten en valores discretos que corresponden a los diferentes niveles de valor (voltaje) que contiene la señal analógica original, lo que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el sistema numérico decimal, antes de ser convertidos al sistema binario.

Codificación

Los valores obtenidos de la señal son representados por códigos previamente establecidos. Por lo general, la señal digital es codificada en cualquiera de los distintos códigos binarios.

Así pues, los conversores A/D y D/A son circuitos electrónicos cuyo objetivo es convertir una señal de entrada analógica en su versión digital, utilizando para ello valores discretos en el tiempo.

Ventajas de la Señal Digital

• Si una señal digital sufre perturbaciones leves, se puede reconstruir y amplificar por medio de un sistema regenerador de señales.
• Existen códigos binarios que son capaces de detectar e incluso corregir si se ha producido algún error en la captación y transmisión de información digitalizada.
• Facilitan enormemente el proceso de procesamiento de señales.

El único inconveniente que supone su utilización se encuentra en el hecho de que se hace necesaria la utilización de un conversor A/D previa y una decodificación posterior en el momento de la recepción de la señal.

Tipos de Sistemas de Control

Los sistemas de regulación se pueden clasificar en:

• Sistemas de bucle o lazo abierto: Son aquellos en los que la acción de control es independiente de la salida.
• Sistemas de bucle o lazo cerrado: Son aquellos en los que la acción de control depende en cierto modo de la salida.

En los sistemas de lazo cerrado, se busca:

• Que la señal de error sea nula. En este caso, la salida tendrá exactamente el valor previsto.
• Que la señal de error no sea nula. Esta señal de error actúa sobre el elemento regulador que, a su salida, proporciona una señal que, a través del elemento accionador, influye en la planta o proceso para que la salida alcance el valor previsto y, de esta manera, el valor se anule.

Ventajas de los Sistemas en Lazo Cerrado

• Más exactos en la obtención de los valores requeridos para la variable controlada.
• Menos sensibles a las perturbaciones.
• Menos sensibles a cambios en las características de los componentes.

Desventajas de los Sistemas en Lazo Cerrado

• Son significativamente más inestables.
• Son más caros.
• Al ser más complejos, son más propensos a tener averías y presentan mayor dificultad en su mantenimiento.