Sistemas de control en lazo cerrado

Un sistema de control se refiere al conjunto de instrumentos y equipo que utiliza la información acerca de una variable para actuar sobre el sistema y corregir el valor en caso de que éste se encuentre desviado del valor deseado. Para entenderlo mejor, veamos el siguiente diagrama:

En el diagrama se ven varios elementos. Las cajas las llamamos bloques y las flechas señales.

Empecemos con el proceso, que es la operación que posee la variable que se desea controlar, conocida como señal de salida. Podría ser, por ejemplo, un vehículo donde queremos controlar la velocidad de desplazamiento. Esa salida del proceso es la variable que se desea controlar o variable controlada. La señal de salida o variable controlada es la respuesta del proceso a una o varias entradas, digamos por ahora en nuestro ejemplo que es la respuesta del vehículo a la posición del acelerador. Por lo tanto la posición del acelerador es la variable de entrada: un cambio en la variable de entrada produce un cambio, lento o rápido, de la variable de salida.

Para controlar la variable es necesario medirla, y por eso hay un medidor conectado a la salida del proceso, ese medidor produce una señal que va a un transmisor, que se encarga de conducirla a otros dispositivos. Esta señal medida y transmitida recibe el nombre de señal de realimentación primaria o realimentación. Este valor es conducido a un bloque con forma de círculo, que sirve para comparar dos valores. En este caso se compara la señal de realimentación con la señal de referencia, que es el valor deseado de la variable controlada; digamos, en nuestro ejemplo, que es una velocidad del vehículo de 80 km/h. La comparación produce un error, conocido como señal de error que es la señal que llega al controlador. El controlador es un aparato diseñado para tomar decisiones, y en nuestro caso decidirá que hacer si la velocidad es muy alta comparada con la deseada o si es muy baja. La información del controlador debe llevarse a un equipo adicional, este equipo se conoce como elemento final de control, que es el instrumento que ejecuta la decisión tomada por el controlador. En nuestro caso, sería un motor que pueda mover el pedal de aceleración del vehículo. Este motor cambia la posición del acelerador, que era nuestra señal de entrada.

Para cualquier velocidad del vehículo, el lazo de control mide la velocidad y la transmite al bloque de comparación donde se determina si es mayor o menos que los 80km/h deseados, esa comparación va a un controlador que decide si incrementar o disminuir la posición del acelerador que tendrá como efecto incrementar o disminuir la velocidad del vehículo.

La variable controlada es la variable que se debe mantener o controlar dentro de algunos valores deseados. El punto de control o valor de referencia, que se refiere al valor deseado de la variable controlada. La variable manipulada es la variable que se modifica a fin de perturbar el sistema y lograr ejercer acciones sobre la controlada y acercarla al valor deseado, y las perturbaciones, que se refieren a aquellas variables que afectan a la variable controlada y perturban su valor.

En nuestra breve discusión de sistemas de control, indicamos que sistema de control se refiere al conjunto de instrumentos y equipo que interactúa con un proceso para evitar que alguna variable se desvíe del valor deseado. Ese sistema de control puede ser un sistema en lazo abierto o un sistema de control en lazo cerrado. Un sistema en lazo abierto o un control abierto, es aquel en el cual el controlador no tiene efecto neto sobre el sistema, es decir, se encuentra desconectado o no existe. Mientras que en un sistema de control cerrado, el controlador actúa sobre la variable manipulada afectando directa o indirectamente el valor de la variable controlada.

Por ejemplo, si el controlador se quita del lazo anterior, el diagrama se vería así

En el diagrama mostrado se ve que la señal de error no tiene efecto sobre el proceso porque la información no puede fluir hasta él. Este diagrama muestra entonces un LAZO ABIERTO DE CONTROL. Contrariamente, el primer diagrama es un lazo cerrado de control porque el sistema se regula a si mismo.

El objetivo del sistema de control de lazo cerrado es utilizar la variable manipulada para mantener la variable controlada en el punto de control a pesar de las perturbaciones.

Se puede hablar de un sistema en lazo abierto o un control abierto cuando el controlador no tiene efecto neto sobre el sistema, es decir, se encuentra desconectado o no existe. Mientras que en un sistema de control cerrado, el controlador actúa sobre la variable manipulada afectando directa o indirectamente el valor de la variable controlada. Para que un lazo sea cerrado, todos los instrumentos deben estar ubicados y funcionando. Si alguno no funciona o alguno está ausente, el lazo está abierto. Es fácil entender la palabra “lazo” como un ciclo de información. Si la información puede circular por todos los instrumentos, entonces es un lazo cerrado, si no puede, se dice que es un lazo abierto.

Para puntualizar, indicamos que sobre un sistema de control se pueden identificar las siguientes señales

• Comando: se refiere a la instrucción que entrega un instrumento a otro a fin de cambiar su estado.
• Señal de referencia: se refiere al valor deseado en la variable controlada, el cual sirve de comparación en el controlador
• Señal de realimentación primaria: se refiere a la señal que viene directamente de la variable controlada, pasando por todos los transductores hasta llegar al controlador, la que se comparará con la señal de referencia.
• Señal de error: se refiere a la diferencia entre la señal de realimentación primaria y la señal de referencia, la cual le indica al controlador que tan grande es la desviación de la variable controlada del valor deseado. La señal de error se calcula como

Error=V_deseado - S_medida

Donde V_deseado se refiere al valor deseado o señal de referencia y S_medida se refiere al valor actual de la variable medido con el medidor. Este error cambia con el tiempo porque la señal medida cambia con el tiempo.

• Señal de control: es la señal que va del controlador al elemento final de control, y actua sobre éste a fin de corregir el error.

En conclusión, un sistema de control se refiere al conjunto de instrumentos y equipo que utiliza la información acerca de una variable para actuar sobre el sistema y corregir su valor en caso de que éste se encuentre desviado del valor deseado. Todo sistema de control está constituido por variables relacionadas con las condiciones de operación y el flujo de información en el proceso. La variable controlada es la variable que se debe mantener o controlar dentro de algunos valores deseados. El punto de control o valor de referencia se refiere al valor deseado de la variable controlada. La variable manipulada es la variable que se modifica a fin de perturbar el sistema y lograr ejercer acciones sobre la controlada y acercarla al valor deseado, y las perturbaciones se refieren a aquellas variables que afectan a la variable controlada y perturban su valor. Para finalizar, el objetivo del sistema de control de lazo cerrado es utilizar la variable manipulada para mantener la variable controlada en el punto de control a pesar de las perturbaciones.