Sistemas de Control: Conceptos, Tipos y Criterios de Diseño

Sistemas de Control

Conceptos Básicos

• Planta: Sistema sobre el que queremos actuar.
• Proceso: Secuencia de operaciones para tener un fin determinado.
• Sistema: Conjunto de operadores que actúan relacionados para realizar el control deseado.
• Entrada: Excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta.
• Señal de referencia: Es una señal de entrada conocida que nos sirve para calibrar al sistema.
• Salida: Es la respuesta que proporciona el sistema de control.
• Perturbación: Señal no controlada que influye de forma adversa en el funcionamiento del sistema.
• Señal activa/Señal de error: Representa la diferencia entre la señal de entrada y la señal realimentada.
• Unidad de control: Gobierna la salida en función de una señal de activación.
• Unidad de realimentación: Formada por uno o varios elementos que captan la variable de salida, la condicionan y trasladan a la unidad de comparación.
• Unidad comparadora: Nos proporciona la señal de error, dependiente de la señal de entrada y de la señal realimentada.
• Representación: Se representan en los diagramas de bloques, en los que hay una expresión visual y simplificada de las relaciones entre la entrada y la salida de un sistema físico. A cada componente del sistema de control se le llama elemento, y se representa en un rectángulo.
• Transductor: Modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada, al sistema de control.
• Actuador/Accionador: Modifica la entrada al sistema comandado por la salida del transductor.

Tipos de Sistemas de Control

Sistemas de Control en Lazo Abierto

Son aquellos en los que la acción de control es independiente de la salida. La señal de salida no influye sobre la señal de entrada. El operador actúa sobre la señal de mando, el transductor se encarga de transformar una magnitud de entrada en otra de salida, llamada señal de referencia. Esta señal, una vez amplificada, actúa sobre el proceso para obtener la señal controlada.

Sistemas de Control en Lazo Cerrado

Son aquellos en los que existe una realimentación de la señal de salida. El encargado de detectar la señal de salida para utilizarla de nuevo es el captador, mide la señal controlada y la transforma en una señal que puedan entender los demás componentes del sistema. Luego, se compara la señal de referencia con la señal controlada, para saber cuál es la diferencia entre ambas.

Criterios y Especificaciones de Diseño

El diseño de los sistemas de control debe ser óptimo. Si queremos reducir el tiempo de respuesta, llevaremos a la variable controlada a una variación de tipo oscilatorio en torno a un valor concreto. Si este fenómeno oscilatorio desaparece, el sistema será estable. Si existe oscilación, el sistema es inestable. La estabilidad es una condición imprescindible en un sistema.

Función de Transferencia

Es el cociente entre la transformada de Laplace de la señal de salida C(s) y la transformada de Laplace de la señal de entrada R(s).

El Controlador

Es el cerebro de un bucle de control, y es el encargado de comparar una variable física con el valor deseado, interpretar el error y actuar para anular ese error. El controlador no actuará sobre los elementos finales mientras que la variable se mantenga en el valor previsto. Si no es así, el controlador modifica la señal para actuar sobre los elementos finales para corregir la modificación, hasta que la variable restablezca su valor.

Controlador de Acción Proporcional

Cuando en un control proporcional se presenta una desviación entre la consigna y el valor real, el elemento se modifica proporcionalmente al error. Si el error es pequeño, el controlador hará un pequeño cambio a la salida. Si el error es grande, producirá un cambio más grande a la salida.

Controlador de Acción Integral

En un controlador integral, la señal de salida varía en función de la desviación y el tiempo en que se mantiene. Si el controlador es de acción integral, la salida se modificaría mientras se mantiene la desviación, y si no fuese capaz de corregirla, llevaría el elemento final hasta su máxima posición. Este tipo de controladores integrales permite eliminar errores de régimen permanente.

Controlador de Acción Derivativa

En estos controladores, la salida debe cambiar proporcionalmente a la variación de la medición. Si la medición es constante, no existe acción derivada. Cuando haya un cambio en la medición, la velocidad de variación se hace infinita, por lo que provoca movimientos bruscos. Por esto, no se aconseja su uso, solo en caso de variaciones de error.