Introducción a los sistemas de control automático

Los sistemas de control automático son un conjunto de técnicas que permiten implantar estrategias para mantener condiciones físicas, o cantidades de variables medibles en valores deseados. El estudio de los sistemas de control automático tiene como objetivo evolucionar y tecnificar las tecnologías de evolución y control industrial.

Personal operando consolas de control automático

Los sistemas de control son muy importantes para la industria. Imagen de processingmagazine

A nivel industrial los ingenieros tienden a lidiar con el manejo de varias variables de manera simultánea, de modo, que existe la necesidad de controlar dichas variables para mantener los valores requeridos por los procesos industriales. Es por ello, que se utilizan sistemas automáticos de control para facilitar las tareas y reducir el costo asociado de la constante supervisión que requiere observar las variaciones de una variable durante los procesos industriales, que cada vez son más complejos. En este artículo, realizaremos una introducción a los sistemas de control automático, las ventajas del uso de estos sistemas y su clasificación.

Tabla de contenidos

✔Sistemas de control automático

✔Tipos de sistemas de control realimentados

Sistemas de control automático

Sistemas de control automático de flujo en tuberías. Imagen de neles

Los sistemas de control se encuentran en casi todos los aspectos de nuestra vida cotidiana. Un ejemplo de ello sería, digamos, un atleta que desea correr 100 metros en la menor cantidad de tiempo posible. Para ello, debe mantener un ritmo y una aceleración, e incluso incrementarla utilizando dispositivos de medición de tiempo para tratar de reducir cada vez más la cantidad de segundos empleados en llegar a su meta, siendo este un sistema de control. Así como el ejemplo del atleta, existen múltiples tareas como conducir un automóvil, cocinar, estudiar, etc, estas tareas requieren de ciertos controles para lograr los objetivos deseados. Con esta idea en mente, podemos definir a un sistema de control como:

Un conjunto de técnicas y estrategias encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de una o varias variables que puede ser medidas.

Los sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los sectores de la industria, como control de calidad de productos manufacturados, líneas de ensamblaje automático, control de máquinas y herramientas, tecnología espacial, sistemas de alarmas, sistemas de transporte, en control de computadoras, robótica, control de inventarios, entre otros.

Conociendo qué son los sistemas de control, podemos definir al sistema de control automático de una manera mucho más completa:

Un sistema de control automático es aquel conjunto de técnicas y herramientas que permiten mantener una condición física o cantidad medible en un valor deseado. Para ello, se vale de una medición instantánea de la variable a controlar y de una comparación con un valor patrón o de referencia, para de esta manera, poder reducir o aumentar el valor de la variable medida mediante una acción correctiva.

Importancia de los sistemas de control automático

La importancia de la implementación de sistemas de control automático, recae en que permiten reducir los costos asociados a la generación de bienes y servicios. Asimismo, mejoran la calidad y los volúmenes de producción de las plantas industriales, lo que permite ahorrar tiempo y optimizar el control de los procesos.

Ventajas y desventajas de utilizar sistemas de control automático

Existen muchas ventajas en el uso de sistemas de control automático, entre las cuales podemos destacar:

Minimizan y en algunos casos, eliminan errores de procesos.
Aumentan considerablemente la seguridad de los procesos, ya que minimizan la interacción humana con ciertos equipos que implican riesgos laborales.
Eliminan o minimizan el uso de cálculos para controlar variables.
Permiten disponer de más tiempo para optimizar los procesos.

Sin embargo, también presentan algunas desventajas como:

Se requieren equipos computarizados especiales para implementar estos sistemas.
Hay que capacitar al personal en el uso de ciertos elementos de los sistemas de control.
Algunos son muy costosos.
Requieren uso de energía eléctrica, en el caso de ser dispositivos electrónicos.

Componentes básicos de un sistema de control

Figura 1. Componentes básicos de un sistema de control

Los componentes básicos de un sistema de control son:

Objetivos de control.
Componentes del sistema de control.
Resultados.

En la figura 1, se puede apreciar la relación que existe entre estos tres componentes. En términos más técnicos, podemos decir que los objetivos de control se pueden identificar como entradas al sistema o señales actuantes (u), mientras que los resultados se pueden identificar como salidas o variables controladas (y). En términos generales, el objetivo del sistema de control es mantener a las salidas en un rango de valores deseados y en alguna forma prescrita mediante las entradas a través de los elementos o componentes del sistema de control.

Sistemas de control de lazo abierto (Sistemas de control no realimentado)

Este tipo de sistemas son simples (no complejos), es decir, no poseen entradas de realimentación. Ejemplos típicos de este tipo de sistemas, son el control de rueda de impresión de una impresora o el control de velocidad en ralentí de un automóvil. Este tipo de sistemas de control no pueden satisfacer requerimientos de desempeño crítico.

Los elementos de un sistema de control de lazo abierto se pueden dividir en dos partes: El controlador y el proceso controlado como podemos ver en la siguiente figura:

Diagrama de bloque de un sistema de lazo abierto

Figura 2. Ejemplo de un sistema de lazo abierto

Vemos en la figura 2, que una señal de entrada (r) se aplica al controlador, cuya salida actúa como señal actuante (u). Esta última, controla el proceso de tal forma que la variable controlada se desempeñe de acuerdo a los estándares establecidos. En los casos simples, el controlador puede ser un amplificador, un filtro, unión mecánica, etc. En los casos complejos, el controlador puede ser una computadora (ordenador).

Sistemas de control de lazo cerrado (Sistemas de control realimentado)

Son sistemas que permiten tener un control más exacto y adaptable de las variables, para ello, se utiliza una realimentación desde la salida hacia la entrada del sistema. Para lograr la exactitud del control, la señal controlada (y) debe ser realimentada y comparada con la entrada de referencia, para luego, enviar una señal actuante proporcional a la diferencia de la entrada y la salida a través del sistema para corregir el error. Podemos decir entonces, que los sistemas con una o más trayectorias de realimentación se denominan sistemas de lazo cerrado.

DIagrama de bloque de un sistema de control de lazo cerrado

Figura 3. Ejemplo de sistema de control de lazo cerrado

En la figura 3, podemos ver el sistema de control de una rueda de impresión (margarita) con realimentación. Notamos que la margarita se establece mediante un detector de posición cuya salida se compara con la posición deseada alimentada desde el teclado, y procesada por el microprocesador. De este modo, el motor es controlado para colocar la rueda de impresión en la posición requerida, de forma exacta.

¿Qué es realimentación?

La realimentación es la re-inserción de un dato al sistema con la finalidad de realizar un ajuste a una variable. Su principal efecto es reducir el error entre la entrada de referencia y la salida del sistema, para obtener el valor deseado de variable controlada. Podemos decir, que la realimentación es una secuencia cerrada de relaciones causa-efecto. Los efectos de la realimentación van mucho más allá de minimizar el error, ya que también influyen en las características del desempeño del sistema, como la estabilidad, ancho de banda, ganancia global, perturbaciones y sensibilidad.

Podemos visualizar un ejemplo sencillo de realimentación y sus efectos en la siguiente figura:

DIagrama de un sistema de control con realimentación

Figura 4. Ejemplo de un sistema de control con realimentación

En la figura 4, podemos ver que r es la señal de entrada y la señal de salida, e el error y b la señal de realimentación. Los parámetros G y H se pueden considerar como ganancias constantes. Mediante manipulación algebraica simple, es fácil demostrar que la relación entrada-salida del sistema es:

Empleando las ecuaciones básicas de la estructura de los sistemas realimentados, se pueden analizar algunos de los efectos significativos de la realimentación.

Efectos de la realimentación en los sistemas de control automático

Entre los principales efectos que tiene la realimentación en los sistemas de control automático tenemos: Efecto en la ganancia total, efecto en la estabilidad, efecto en la sensibilidad y efecto sobre perturbaciones externas o ruido. A continuación, describiremos cada uno de estos efectos:

Efecto en la ganancia global

Tomando como referencia la figura 4 del ejemplo de realimentación, podemos deducir que la realimentación afecta directamente a la ganancia del sistema no realimentado (G) por un factor de 1 + GH. Podemos notar como ese sistema tiene una realimentación negativa, ya que se le asigna un signo menos a la señal realimentada.

La cantidad GH puede incluir el signo menos, por lo tanto, el efecto general de la realimentación es que puede incrementar o disminuir la ganancia G. Podemos decir entonces, que la realimentación puede incrementar a la ganancia del sistema en un intervalo de frecuencia, pero reducirla en otro.

Efecto en la estabilidad

Un sistema es inestable si sus salidas se salen de control. Dependiendo del caso, una realimentación puede ocasionar que un sistema originalmente estable se vuelva inestable, es decir, la realimentación puede ser buena o mala dependiendo de cómo afecte al sistema.

Una de las ventajas de incorporar realimentación es que puede estabilizar a un sistema inestable. Tomando como referencia el ejemplo de la figura 4, se puede ver que el sistema se ha vuelto inestable ya que GH es negativo. Para solventarlo, se debe introducir un segundo lazo de realimentación con ganancia negativa F, quedando la manipulación algebraica entrada-salida de la siguiente forma:

En la práctica, GH es una función de frecuencia y la condición para la estabilidad del sistema de lazo cerrado depende de la magnitud y la fase de GH. La realimentación puede mejorar la estabilidad o ser dañina, si no se aplica adecuadamente.

Efecto en la sensibilidad

Un buen sistema de control automático debe ser insensible a la variación de los parámetros. Nuevamente, tomaremos en cuenta el ejemplo de la figura 4 y consideraremos que G es la ganancia, la cual puede variar. La sensibilidad de la ganancia del sistema total (M) con respecto a la variación de G, se define como:

Aplicando esta ecuación al ejemplo anterior, nos queda:

Notamos que si GH es positiva, la sensibilidad se hace más pequeña a medida que GH aumenta y viceversa. En general, la sensibilidad de la ganancia de un sistema realimentado a la variación de los parámetros depende de donde estén localizados dichos parámetros. En otras palabras, la realimentación puede aumentar o disminuir la sensibilidad de un sistema.

Efecto sobre las perturbaciones externas o ruido

Todos los sistema físicos son susceptibles a perturbaciones externas o ruidos durante su operación, como por ejemplo, viento, vibraciones, ondas, etc. El efecto de la realimentación sobre estas perturbaciones depende en gran medida en qué parte del sistema ocurren las perturbaciones, pudiendo la perturbación reducir los efectos del ruido en el desempeño del sistema.

Tipos de sistemas de control realimentados

diagrama de un sistema de control automático para alimentar combustible a una caldera

Sistema de control automático de combustible a una caldera. Imagen de instrumentationtools

Los sistemas de control realimentados o de lazo cerrado, pueden clasificarse de diversas formas, dependiendo del propósito de la clasificación.

Clasificación de los sistemas de control según el método de análisis y diseño

Según el método de análisis y diseño, los sistemas de control se clasifican en:

Sistemas lineales
Sistemas no lineales
Sistemas variantes en el tiempo
Sistemas no variantes en el tiempo

Sistemas lineales

Son sistemas en los cuales existe una relación proporcional entre la variable de entrada y la variable de salida, es decir, cumplen sí o sí con los principios de superposición y homogeneidad.

Sistemas no lineales

Son sistemas que no están descritos por ecuaciones lineales y que no cumplen con la condición de linealidad. Ejemplos de este tipo de sistemas son los regidos por las siguientes ecuaciones:

Sistemas variantes en el tiempo

Este tipo de sistemas están regidos por ecuaciones diferenciales con coeficientes que se expresan en función del tiempo, es decir, varían con el tiempo.

Sistemas no variantes en el tiempo

Al contrario que los sistemas anteriores, los coeficientes de las ecuaciones diferenciales que los rigen, son constantes o permanecen invariables en el tiempo.

Clasificación de los sistemas de control según el tipo de señal usada

Según el tipo de señal usada, los sistema de control se clasifican en:

Sistemas de tiempo continuo
Sistemas de tiempo discreto

Sistemas de tiempo continuo

Como su nombre lo indica, son sistemas en donde las señales que se procesan, como: Señales de realimentación, señales controladas, etc, representan una señal continua.

Sistemas de tiempo discreto

Las señales que presentan este tipo de sistemas son discretas (sucesiones) o digitales.

Otra clasificación frecuente de los sistemas de control, es de acuerdo a su propósito principal. Por ejemplo, un sistema de control de posición y un sistema de control de velocidad, controlarán las variables de salida de acuerdo a la posición y a la velocidad.

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