Sistemas de Control: Tipos y Funcionamiento

Sistemas de Control: Introducción

El desarrollo de la actividad industrial y la producción a gran escala trajo consigo la intensificación de tareas repetitivas y una mayor exigencia en cuanto a precisión de medidas, tiempos, volúmenes, caudales, desplazamientos, velocidades y demás parámetros involucrados en cada actividad fabril. Muchos procesos se tornaron altamente complejos y potencialmente peligrosos para una manipulación directa por parte de los operarios. Frente a este panorama, los sistemas de automatización aparecen como una solución tecnológica a dichas necesidades.

La aplicación de dispositivos mecánicos, electromecánicos y electrónicos en el área industrial permite automatizar las tareas repetitivas y controlar las magnitudes físicas en forma más precisa, aumentando así los niveles de producción. Automatizar y controlar son las principales funciones que desempeñan los sistemas de control.

El permanente desarrollo y avance de la civilización y de las tecnologías modernas ha permitido que la aplicación de los sistemas de control automático se extienda al ámbito doméstico. Por ejemplo, los controles automáticos en los sistemas de calefacción y acondicionamiento de aire que regulan la temperatura y la humedad de los hogares modernos para poder conseguir ambientes confortables.

En la industria, los sistemas de control automático se encuentran en numerosas aplicaciones, tales como el control de calidad de productos manufacturados, la automatización, control de máquinas herramientas, sistemas modernos de tecnología espacial, sistemas de ordenadores, sistemas de transporte y la robótica. Incluso problemas tales como el control de almacenes, control de sistemas sociales y económicos, y control de sistemas ambientales e hidrológicos, pueden enfocarse desde el punto de vista de la teoría del control automático.

El concepto básico de sistema de control puede describirse mediante el sencillo diagrama de bloques de la figura 1. El objetivo del sistema consiste en controlar la variable c de una manera preestablecida mediante la señal de acción a, a través de los elementos del sistema de control.

En términos más corrientes, la variable controlada es la salida del sistema, la señal a es la entrada. Como ejemplo sencillo, en el control de dirección de un automóvil, la dirección de dos ruedas delanteras puede considerarse como la variable controlada c de salida. La posición del volante es la entrada, la señal de acción a. El proceso o sistema controlado en este caso se compone de los mecanismos de la dirección, incluyendo la dinámica de todo el automóvil.

Un sistema de control es un arreglo de componentes cuyo objetivo es comandar o regular la respuesta de una parte del proceso, también conocido como planta, sin que el operador intervenga en forma directa sobre sus elementos de salida. El operador manipula únicamente magnitudes de baja potencia denominadas de consigna o de referencia, mientras que el sistema de control, a través de los accionamientos conectados en sus salidas, se encarga de producir los cambios energéticos en la planta o proceso.

Sistema de Control de Lazo Abierto

Se puede definir un sistema de lazo abierto como aquel en el cual la acción del control depende de la señal de referencia y no de las señales de salida. Este tipo de control no recibe ningún tipo de información del comportamiento de la planta y, por lo tanto, no podrá realizar acción alguna para compensar variaciones en el entorno debido a perturbaciones externas no previstas en el diseño. Este tipo de control es simple y económico, pero le falta precisión, versatilidad y solo se puede usar en aplicaciones sencillas.

El diagrama en bloque de la figura 2 corresponde al de un sistema de control a lazo abierto. En él se pueden distinguir tres bloques principales a los cuales se pueden reducir todos los sistemas de control de lazo abierto, desde los más sencillos a los más complejos. Vemos que la señal de referencia, que puede ser manipulada directamente por el operador del sistema, ingresa al Bloque Controlador donde se la cuantifica y, en general, se modifica sus características y/o naturaleza convirtiéndola en la señal de control.

Esta acción es necesaria para adecuarla a los procesos que se desarrollan en el siguiente bloque. Al bloque de accionamiento ingresa la señal de control, y mediante el aporte de energía externa adicional, modifica su potencia, aumentándola en general e incluso en algunos casos le cambia su naturaleza, obteniendo a la salida la señal de acción, que se aplica directamente a la planta o proceso controlado logrando ajustar la variable controlada c al valor deseado. A este último bloque, además de la señal de acción, también ingresa una señal que representa las perturbaciones o ruidos del medio que rodea al sistema y ello genera alteraciones en el valor de la variable controlada interfiriendo con el ajuste realizado desde la señal de referencia.

Como ejemplo, consideremos el control de una caldera de calefacción doméstica. Suponiendo que la caldera está equipada sólo con un dispositivo de temporización regulable, que controla los períodos de conexión y desconexión de la misma. Para ajustar la temperatura al nivel adecuado, la persona que la opera debe estimar el tiempo necesario por cada ciclo para que la caldera permanezca conectada y luego fijar el temporizador de acuerdo con ello. Cuando se alcanza el tiempo preestablecido, la caldera se desconecta. Sin embargo, es bastante probable que la temperatura de la casa sea superior o inferior al valor deseado, debido a la inexactitud de la estimación.

Resulta evidente que este tipo de control es poco preciso y requiere de ajustes frecuentes de la señal de referencia; una de las causas de ello es el hecho de que no se pueden conocer las características exactas de la caldera. Otro factor es que no se tiene conocimiento de la temperatura exterior, la cual presenta una influencia definida sobre la temperatura interior. En el caso del control de una caldera hogareña, quizá una persona familiarizada con su operación, logre ajustar la temperatura a un valor cercano al deseado; pero si las puertas o ventanas se abren o cierran intermitentemente durante el período de funcionamiento, la temperatura final en el interior de la casa no resultará regulada con precisión mediante el control de lazo abierto.

Sistema de Control de Lazo Cerrado

Un sistema de control de lazo cerrado se puede considerar como aquel en el cual la acción del control no solo depende de la señal de referencia, sino también de la señal controlada o señal de salida. Lo habitual es que el sistema de control se encargue de la toma de ciertas decisiones ante determinados comportamientos de la planta, tratándose entonces de sistemas de control automáticos.

Lo que falta en el sistema de control de lazo abierto para un dominio más preciso y aceptable es un enlace o realimentación de la salida a la entrada del sistema. Para obtener un control más preciso, la señal controlada debe realimentarse y compararse con la entrada de referencia y debe enviarse una señal de acción proporcional a la diferencia entre la salida y la entrada de referencia a través del sistema para corregir el error.

Para ello se requiere la existencia de sensores que detecten el comportamiento de dicha planta y brinden, mediante interfaces de adaptación, estas señales a las entradas del sistema de control quien se encargará de ejecutar las acciones correctivas.

En la figura 3 se presenta el diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado, donde se observa que el proceso controlado recibe perturbaciones del medio que lo rodea afectando el valor de la variable controlada c, por lo que a través de sensores instalados adecuadamente en la planta, se toma una muestra de la misma y mediante el bloque de realimentación se modifican sus características y valores obteniéndose la señal medida b que es proporcional a la variable controlada pero de naturaleza y orden de magnitud igual al de la señal de referencia r de manera que ambas puedan ser comparadas por el detector de error, obteniéndose una señal de error.

Cabe aclarar que el comparador obtiene la señal de error como resultado de la diferencia entre la señal de referencia y la señal medida, lo que explica la presencia de los signos + y – en el diagrama de bloques. Esta señal se aplica a la serie de bloques formados por el controlador, accionamiento y planta, realizando las correcciones necesarias para compensar las perturbaciones del medio. Con este procedimiento se logra que la variable c, mantenga el valor correcto pese a las señales de perturbación.

Como ejemplo vamos a ilustrar mediante la figura 4 al ser humano como sistema de control con realimentación; para ello planteamos un simple ejercicio que consiste en alcanzar con la mano un objeto situado en una estantería.

Proceso Controlado: Variable controlada c, Accionamiento, Señal de acción, Energía, Controlador, Entrada de referencia r, Señal de control, Figura 3, Perturbación, Realimentación, Señal medida b, +, -, Señal de error e, Detector de error o Comparador, Automatización de Proceso Ing. Juan M. Valdez 4

Para lograr el objetivo, el cerebro envía señales eléctricas a un conjunto de músculos que inician el desplazamiento del brazo y la mano aproximándola al objeto. La vista sirve como dispositivo sensible que realimenta continuamente la posición de la mano. La distancia entre la mano y el objeto es el error, el cual eventualmente se hará cero cuando la mano alcance el objeto y, por ende, también se harán cero las señales eléctricas que llegaban a los músculos provenientes del cerebro y éstos se detendrán.

Sin embargo, si se realiza el mismo ejercicio con los ojos vendados, esta persona sólo podrá estimar la posición relativa de la mano al objeto en cada instante y por ello se reducen ampliamente las posibilidades de alcanzarlo y lo más probable es que el objeto no se alcance por un amplio margen. Con los ojos vendados, la realimentación desaparece y la persona está funcionando como un sistema de lazo abierto.

Otro ejemplo de sistema de control de lazo cerrado puede ser el sistema de control del timón de dirección de un barco cuyo diagrama en bloque se observa en la figura 5. En este caso la variable controlada es el ángulo de inclinación del timón que se logra mediante un volante situado en el puente de mando, cuyo ángulo de rotación se constituye en la entrada de referencia del sistema. El error entre las posiciones relativas del volante y el timón es la señal que acciona el controlador y al motor correspondiente.

Tanto el volante como el timón poseen un conjunto de poleas y correas que mueven en forma independiente los cursores de dos potenciómetros, conectados respectivamente a las entradas de un amplificador diferencial. Tengamos en cuenta que esta conexión se puede realizar en forma directa porque los extremos de ambos potenciómetros se conectan en paralelo a una misma fuente de tensión continua, y por ende las tensiones de salida de los cursores se pueden comparar en el amplificador diferencial. Este último amplifica la diferencia entre ambas señales de manera que según el resultado de la diferencia, en sus terminales de salida podemos tener tensiones de una u otra polaridad y en algún caso igual a 0. Si aplicamos esta tensión a un motor de corriente continua, su sentido de rotación dependerá de la polaridad. Este movimiento de rotación se transmite a la caja reductora encargada de demultiplicar la velocidad y aumentar el torque, logrando una lenta rotación del elemento móvil del timón a pesar de la resistencia ejercida por el agua.

Cuando el timón está alineado con la dirección de referencia fijada por el volante, las posiciones y, por ende, las tensiones de ambos cursores son iguales y al no haber diferencia, la tensión de salida del amplificador es 0V, por lo tanto, el motor y la caja reductora se encuentran detenidos. Si ahora rotamos el volante un ángulo θr en sentido horario, el conjunto de poleas y correas asociadas también rota en igual sentido y en consecuencia el cursor del potenciómetro “A” se desplaza hacia el extremo inferior disminuyendo la tensión de su salida. Esto determina la aparición de una diferencia negativa de tensión en la entrada del amplificador y, por lo tanto, aplica al motor una tensión continua de polaridad opuesta a la indicada en sus terminales. Con esta tensión, el motor, la caja reductora y el timón, rotaran en sentido anti-horario. Este movimiento será acompañado por la rotación de correas y poleas asociadas, hasta que el cursor del potenciómetro “B” se desplace a una posición tal que la tensión de su salida iguale a la del potenciómetro “A”.

En este momento la diferencia de tensión será de 0V, al igual que la salida del amplificador por lo que el motor y la caja reductora se detienen y el timón se fija en la nueva posición correspondiente a un ángulo θc. El análisis hecho en el párrafo precedente es igualmente válido para el caso de una rotación del volante en sentido anti-horario, solo que implicaría un ascenso del potenciómetro “A”, diferencia positiva a la entrada y salida del amplificador; rotación en sentido horario de motor, caja reductora, timón y sistema de correas y poleas asociadas; y finalmente el potenciómetro “B” asciende hasta igualar su tensión de salida con la del potenciómetro “A”. Cuando se cumple esta igualdad el motor y la caja reductora se detienen fijando la nueva posición angular del timón, con signo contrario a la situación anterior.

Evaluación de la Respuesta de un Sistema de Control

Una forma de evaluar la respuesta de un sistema de control en el tiempo, es aplicando a la entrada una señal de referencia de tipo escalón (pasa bruscamente de 0 a un valor determinado), como la observada en la figura 6a, mientras se registran los valores que va tomando en el tiempo la variable controlada. En la figura 6b se grafican tres posibles curvas de respuestas de la variable controlada, que dependerá del diseño, características constructivas y materiales usados en la implementación del sistema de control.

Este ensayo se puede aplicar al ejemplo del control del timón. Para ello vamos a suponer que estando el volante en la posición central, en tiempo t0 se le aplica una rotación súbita de R unidades, tal como muestra la señal temporal de la figura 6a. Dependiendo de las características del sistema de control, la posición del timón en función del tiempo, puede quedar representada por una de las tres curvas de respuesta típica (línea llena) de la figura 6b. Debido a que todos los sistemas físicos tienen cierta inercia eléctrica, térmica, mecánica, etcétera; la posición del timón no puede responder instantáneamente a una entrada en escalón, pero sí podría moverse en forma lenta y gradual hacia la posición final deseada, o tener una respuesta oscilatoria alrededor de la posición final antes de conseguirla.

Resulta evidente que para el control del timón es conveniente una respuesta no oscilatoria. Notemos que algunas de estas respuestas son situaciones extremas ya que en el medio tenemos infinitas respuestas de características intermedias mucho más convenientes que nos permiten alcanzar rápidamente el valor correcto de la variable controlada.

Efecto de la Realimentación sobre Perturbaciones o Ruidos Externos

Todos los sistemas de control físicos están sometidos a cierto tipo de señales o ruidos extraños durante su funcionamiento. Ejemplo de esas señales son la tensión de ruido térmico en los amplificadores electrónicos y el ruido de escobillas o colector en los motores eléctricos. El efecto de la realimentación sobre el ruido depende principalmente de en donde se introduce el ruido en el sistema; no pueden deducirse conclusiones generales. Sin embargo, en muchos casos, la realimentación puede reducir el efecto del ruido en el comportamiento del sistema.

Vamos a referirnos al sistema de la figura 9, en el cual r significa la señal de mando y n es la señal de ruido. En ausencia de realimentación, H = 0, la salida c es: