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6.1. Control Automático

Los controladores o reguladores automáticos forman parte de todo tipo de dispositivos que nos rodean, muchas veces sin ser conscientes de ello. Ejemplos de controladores los podemos encontrar en el termostato de la calefacción o del aire acondicionado, en el control de temperatura del horno o de la nevera, en el regulador de nivel de luz, en la dirección asistida de los automóviles, el sistema de parada en un piso de los ascensores de alta velocidad o, incluso, en el sistema de llenado de agua de la cisterna del váter. Allí donde una velocidad, un movimiento, temperatura, presión o nivel se mantienen regulados, hay un controlador que realiza este trabajo.

Para referirse a este tipo de sistemas se utiliza la denominación de controladores automáticos o reguladores automáticos.

En esta página se van a revisar los diferentes componentes de un sistema de control automático y los diferentes tipos de control que existen, de lazo abierto y de lazo cerrado.

Elementos de un sistema de control en lazo abierto

En la siguiente imagen se muestra un esquema del sistema de control más sencillo, el control de lazo abierto.

Sistema de control en lazo abierto

En este esquema se pueden reconocer tres bloques:

Sistema
También llamado en ocasiones planta, es aquello que se desea controlar. En un horno el sistema será la caja del horno en la que se desea controlar la temperatura. En el caso de un sevomecanismo, el sistema será el motor y la reductora cuya posición se desea controlar.
Accionador
Es el encargado de convertir la señal de control, que tiene poca potencia, en una acción sobre el sistema, que tiene mayor potencia. Volviendo al ejemplo del horno eléctrico, el accionador será la resistencia calefactora y el sistema de potencia que la enciende. En el caso de un servomecanismo, el accionador será el conjunto de transistores y el motor que mueven el mecanismo.
Controlador
está encargado de recibir una señal de consigna o señal de referencia y convertirla en una señal que consiga que el sistema alcance la referencia deseada.

En ocasiones el controlador, el accionador y el sistema no tienen límites bien definidos o no existen en algún sistema. En cualquier caso es interesante conocer los tres elementos a la hora de identificar las diferentes partes de un sistema de control.

Ejemplos de sistemas de control en lazo abierto

Ejemplos de este tipo de control lo podemos encontrar en múltiples objetos que nos rodean.

Control de potencia de un horno microondas.
El controlador está formado por un dispositivo que enciende y apaga el horno a intervalos regulares para conseguir mayor o menor potencia dependiendo del tiempo que dure el encendido del microondas. Este sistema es llamado PWM (Pulse Width Modulation) El accionador es el magnetrón que produce las microondas y el sistema será el vaso de leche que se calienta en su interior.
Control de potencia de un calentador eléctrico de aire.
El controlador es el interruptor que selecciona entre una o dos resistencias calefactoras. El accionador está formado por las resistencias calefactoras y el ventilador. El sistema es el aire caliente que sale y la habitación calentada.
Control de intensidad de luz.
El controlador es el potenciómetro que se gira para conseguir mayor o menor luminosidad. El accionador es el circuito electrónico de potencia y la lámpara que produce luz. El sistema es la habitación iluminada.
Control de nivel de sonido en un equipo de audio.
El controlador es el potenciómetro que se mueve para conseguir mayor o menor nivel de sonido. El accionador es el amplificador y los altavoces del equipo de música. El sistema es la habitación y el nivel de sonido que consigue.

Uno de los controladores en lazo abierto más habituales es el temporizador. Este se puede encontrar en múltiples dispositivos como una puerta de garaje, apagado automático de escaleras automáticas, temporizador de un horno, etc.

En los sistemas en lazo abierto se puede controlar que el sistema reciba más o menos accionamiento, pero no se puede controlar con exactitud el punto en el que se encontrará el sistema controlado. Por ejemplo en el caso del horno microondas, no se puede estar seguro de que la leche no hervirá. Tampoco con el calentador eléctrico de aire se puede conocer con exactitud la temperatura que alcanzará la habitación. En ambos casos el resultado final dependerá del tamaño del vaso o de la habitación, de la temperatura ambiente, el aislamiento, la potencia total del calentador, etc. Esta desventaja de los sistemas en lazo abierto no impide que se utilicen con mucha frecuencia por su gran sencillez y por ser muy robustos.

Elementos de un sistema de control en lazo cerrado

En la siguiente imagen se muestra un esquema de un sistema de control en lazo cerrado.

Sistema de control en lazo cerrado

Este tipo de sistema de control soluciona el problema de los sistemas en lazo abierto, que dependen de las condiciones ambientales. El nombre de lazo cerrado proviene de la señal del sensor que vuelve al controlador, cerrando el lazo de control. Los elementos del sistema de control en lazo cerrado son los mismos que los del sistema en lazo abierto con dos añadidos:

El sensor mide el estado o variable a controlar en el sistema (posición, temperatura, humedad, etc.) Esto permite conocer el estado del sistema y corregir las desviaciones para que se pueda conseguir la respuesta deseada.

El comparador. Este elemento está representado por un círculo en el esquema. Su función es comparar la señal de referencia r(t) y la señal de realimentación h(t) y calcular el error e(t) que existe entre la respuesta deseada y el estado real del sistema. A partir de ese error se puede conseguir llevar al sistema al estado deseado.

Este tipo de control conseguirá que el sistema se encuentre en el estado deseado, independientemente de las condiciones ambientales.

Las señales del sistema de control son las siguientes:

Señal Nombre Función
r(t) Referencia Es el estado que se desea alcanzar en el sistema.
e(t) Error Es la diferencia entre el estado deseado y el estado real del sistema a controlar.
c(t) Control Es la señal que genera el controlador.
u(t) Accionamiento Es la acción que se ejerce sobre el sistema para controlarle.
y(t) Salida Es el estado real que ha alcanzado el sistema a controlar.
h(t) Realimentación Es la medida del estado del sistema.

Ejemplos de sistemas de control en lazo cerrado

Al igual que en el caso de los controladores en lazo abierto, también existen múltiples aparatos cotidianos que tienen sistemas de control en lazo cerrado. Estos se caracterizan por tener un sensor que permite medir el estado del sistema y controlarle con precisión.

Control de temperatura de un frigorífico.

Control de temperatura en un horno eléctrico.

Control de posición de un servomecanismo.

Servomotor

Referencias

Wikipedia: Sistema de control

Wikipedia: Servomotor

[1] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de Control Moderna. Tercera edición. Editorial Prentice Hall.

[2] Ogata, Katsuhiko. Sistemas de control en tiempo discreto. Segunda edición. Editorial Prentice Hall.