Sistemas de control tipos y conceptos básicos

Sistemas de control tipos y conceptos básicos
Juan Carlos G2020-08-17

Me da mucho gusto tener aquí con la mejor disposición de aprender todo sobre los Sistemas de Control (SC), sus características, tipos y muchas cosas más, que indudablemente, te servirá de mucho si te dedicas a la ingeniería o estas aprendiendo de manera autodidacta.

Ya que, mi objetivo es que al final de este post puedas aplicar todo lo aprendido tanto de forma practica como teórica.

 

 

¿Qué son los sistemas de control?

En la ingeniería de sistemas y en el sector industrial, uno de los recursos más importantes que existen son los SC, estos sistemas tienen gran influencia en la producción, ya que son parte de un proceso que se tiene que cumplir para llegar a cubrir objetivos.

Partiendo de la idea anterior, te dejo mi definición sobre este concepto.

Un sistema de control es un conjunto de elementos o dispositivos que se encuentran conectados entre sí, con la finalidad de administrar, ordenar y regular otros sistemas relacionados, para que así, se reduzcan las probabilidades de error y llegar de manera óptima a los objetivos planteados.

Bien, ahora que ya conoces la definición de un sistema de control (la cual es muy sencilla de entender ¿No?), ahora es turno de conocer para que sirven y qué importancia tiene dentro de la industria.

 

¿Para qué sirven los sistemas de control?

Cuando se habla de un SC y su función, específicamente podemos nombrar muchísimas aplicaciones; sin embargo, el objetivo primordial de un buen SC es satisfacer una necesidad y cumplir una tarea, ya que para eso sirven.

 

¿Cuál es la probabilidad de que el sistema de control cumpla satisfactoriamente una tarea?

Pues eso depende directamente de la dificultad de la tarea y de la programación específica que se le da.

No obstante, los SC deben de tener previos requerimientos cumplidos para que complete un objetivo de manera eficiente. Esos requerimientos son los siguientes:

  • Eficiencia: Un sistema de control debe saber tomar decisiones de manera certera; estas decisiones son parte del proceso de la tarea que se planea cumplir.
  • Estabilidad: Un sistema de control debe tener estabilidad en su funcionamiento, esto quiere decir que debe poseer una fuerte seguridad ante errores de modelo y situaciones que corrompan o afecte sus archivos pre-programados, impidiéndole completa una tarea específica.

Un ejemplo rápido de un sistema de control que te puedo mencionar, es el de los chequeadores de peso dinámico, los cuales tienen la misión de identificar excesos o faltantes en un determinado producto, este sistema tiene una fuerte aplicación en la industria alimentaria.

 

Clasificación de los sistemas de control

Algo que es importante que sepas y que veremos con detalle a continuación, es que dentro de estos SC existen clasificaciones, las cuales tienen una gama de características distintivas, sobre todo en la acción de control.

Estas clasificaciones se dividen en dos:

  • Sistemas de control en lazo cerrado.
  • Y sistemas de control en lazo abierto.

 

Ejemplo de una planta industrial que utiliza sistemas de control

 

Sistemas de control en lazo cerrado

Los sistemas de control en lazo cerrado, también llamados sistemas de control con realimentación, se pueden identificar fácilmente, ya que la acción de control depende directamente de la señal de salida, o, mejor dicho, la salida a controlar se realimenta para ser comparada con la entrada del sistema, que también representa un valor deseado.

Al final, se genera un error de actuación en el sistema que será recibido por el controlador; este controlador es quien decide la acción a realizar en el proceso para disminuir errores y que la salida tenga el valor deseado.

Un ejemplo de sistema de control en lazo cerrado, sería el aire acondicionado o un calentador de agua.

Para que lo entiendas mejor, a continuación, te dejo el siguiente gráfico el cual explica el funcionamiento de un sistema de control en lazo cerrado.

Diagrama de un sistema de control en lazo cerrado

 

Características sistema de control lazo cerrado

Algunas de las características importantes que tienen los sistemas de control en lazo cerrado y que te ayudarán a identificarlo, son las siguientes:

  • Los sistemas de control en lazo cerrado tienden a ser más seguros y estables ante errores de modelo y perturbaciones.
  • Tiene una mayor complejidad, ya que, tienen detrás un gran trabajo, tanto en el hardware como en el software.
  • Tienden a manejar una mayor cantidad de parámetros para realizar una acción o determinar una decisión.
  • La característica más importante dentro de este tipo de sistemas, es que estos necesitan obligatoriamente datos de salida, ya que son necesarios para comparar los datos de esta salida con los datos de entrada.
  • Si no se tienen datos de salida, los sistemas se mantienen en reposo.

 

Sistemas de control en lazo abierto

Ya conociste los sistemas de control en lazo cerrado, y exploramos las diferentes características que constituyen a este tipo de sistemas. Ahora, veremos los sistemas de control en lazo abierto y cuál es la diferencia con su contraparte.

Los sistemas de control en lazo abierto, al contrario del lazo cerrado, no dependen de su salida, ya que no existe una realimentación de la salida hacía el valor de la entrada y el controlador. Al final, existe una sola condición operativa fija para cada entrada de referencia.

Esto último es importante, ya que prácticamente la precisión de los sistemas en lazo abierto depende directamente de la calibración de estos.

Un ejemplo de este tipo de sistemas, son todos aquellos que son automáticos y realizan las tareas gracias a una medida de tiempo, como lavadoras automáticas, cafeteras y tostadoras.

Al igual que en el anterior sistema, te dejo de manera gráfica el funcionamiento de este tipo de sistemas, para que lo entiendas mucho mejor.

Diagrama ejemplo de un sistema de control en lazo abierto

 

Características de un sistema de control en lazo abierto

  • Es muy fácil e intuitivo manejar estos sistemas.
  • Tienden a no tener mucha seguridad ante errores y perturbaciones.
  • El éxito al cumplir una tarea depende directamente de la calibración y de la programación; puede tener altas o bajas probabilidades de funcional con eficacia.
  • Estos sistemas no requieren datos de salida, ya que solo requieren una buena lectura de los valores de entrada.

 

Componentes de un sistema de control

Como viste anteriormente, los SC tienen mucha importancia dentro de la industria, ya que nos ayuda a controlar variables que normalmente sin herramientas no podríamos manejar, además, todo SC tiene parámetros en sus clasificaciones que son importantes conocer si decides usar o crear algún sistema de control.

Otra cosa que debes conocer sobre los SC, es que tienen componentes básicos para que un sistema de control funcione de manera efectiva, y son los siguientes:

 

Actuador

En un SC, el actuador es un dispositivo que tiene la capacidad de convertir una señal de energía (eléctrica o hidráulica) para poder realizar una función dentro de un proceso. Gracias a estas señales, las cuales recibe a través de un controlador, puede activar elementos finales en el SC para terminar una tarea.

Todo muy bien hasta aquí, pero ¿Cuántos tipos de actuadores existen? Existe una variedad de actuadores, sin embargo, depende mucho del tipo de señal con la que se trabaja para saber cuál utilizar. A continuación, te dejo los principales tipos de actuadores:

  • Electrónicos.
  • Neumáticos.
  • Eléctricos.
  • Hidráulicos.

 

Transductor

Este dispositivo es muy famoso, y es utilizado de muchísimas maneras en muchos campos industriales y profesionales. Este dispositivo tiene la capacidad de transformar una magnitud de naturaleza física (como la humedad, temperatura, presión, etc.) en una señal eléctrica.

Su funcionamiento se basa en recibir una variable de entrada y producir una totalmente distinta en la salida.

Los transductores se pueden clasificar dependiendo de su comportamiento o de sus características estructurales.

Dentro de la clasificación en función de su comportamiento, podemos encontrar transductores activos y pasivos; la diferencia entre estos dos es que uno requiere suministro eléctrico para operar (transductores pasivos) y el otro no requiere un suministro eléctrico (transductores activos).

En la clasificación en función a sus características estructurales, podemos encontrarnos dos tipos de transductores:

  • Transductores directos, se les llama así ya que se deben instalar directamente en la variable que se planea medir.
  • Y transductores indirectos, se instalan alejados de la variable de medición.

 

Controlador

El controlador tiene una función muy importante dentro de los SC, ya que, este dispositivo es el que se encarga de contrastar la variable de proceso que previamente se ha medido, con un valor de entrada (valor de referencia).

Además, es el dispositivo encargado de emitir señales de control para reducir errores a un valor cerca de cero.

Las señales de control son una característica importante dentro de los controladores, esta acción se le llama acción de control. Cuando se detecta una señal errónea, el controlador tiene la capacidad de amplificar esa señal, ya que naturalmente estas señales son emitidas con una potencia baja.

Los controladores, al igual que los anteriores elementos que ya conociste, tiene una clasificación, y esta clasificación depende directamente del tipo de acción de control que realicen. Dichas clasificaciones son las siguientes:

  • Controlador de acción proporcional: este controlador se encuentra en SC proporcional, el cual basa su funcionamiento en constituir una relación entre la variable que se está controlando y la posición del elemento final de control; dicha relación es de naturaleza lineal continua.
  • Acción ON-OFF (encendido-apagado): este tipo de controlador se caracteriza por ser de tipo lazo cerrado, además de que la acción de control toma la posición de encendido o apagado dependiendo del error.
  • Acción integral: el controlador de acción integral tiene un funcionamiento particular, ya que acciona un elemento de control a una velocidad constante; esta velocidad depende directamente del error del sistema que se presente. Al final, lo que se planea lograr con esto es eliminar la desviación de error.
  • Acción proporcional-integral: en este controlador se disminuye el tiempo de subida, a la par de que incremente el tiempo de estabilización y el sobrepulso, con el objetico de erradicar el error de estado estable; sin embargo, puede afectar en la eficacia de la respuesta transigente.
  • Acción proporcional-derivativa: estos controladores se caracterizan por su acción de control, ya que esta es proporcional a la velocidad de cambio de la variable que está siendo manipulada; esto tiene efecto en el elemento final de control, ya que, dependiendo de la velocidad de cambio del error que se registre en el sistema, este sufrirá un menor o mayor recorrido.
  • Acción proporcional-derivativo-integral: este es uno de los controladores más eficaces y utilizados en la industria, ya que se caracteriza por tener una realimentación que maneja la suma de las acciones de control derivativo, integral y proporcional (utiliza los tres principales controladores, ahí la razón de su eficacia)

 

Operaciones básicas de un sistema de control

Ya conociste a fondo los componentes de un sistema de control, sin embargo, ¿Por qué son tan importantes? Como te dije desde un principio, son importantes ya que estos tres elementos son básicos para que un SC funcione completamente.

Aunado a lo anterior, estos elementos representan las tres operaciones básicas que todo sistema de control debe tener. ¿Cuáles son? Pues veámoslas a detalle.

 

Operación 1: medición

Un SC sin la operación de medir, no sería un SC completo, la medición de una variable y su proceso de control se realiza por el transductor, el cual puede ser un sensor y un transmisor.

 

Operación 2: decisión

El controlador trabaja gracias a la medición, y es el que decide la acción a realizar para que dicha variable tenga o se mantenga en un valor deseado.

 

Operación 3: acción

Al final se efectúa una acción como resultado del trabajo del controlador y su toma de decisiones.

Ya que has conocido los componentes básicos de un sistema de control y sus clasificaciones, puedes pasar a las características que tiene un sistema de control y cuantos tipos de SC existen. ¡Vamos allá!

 

Características de un sistema de control

Los SC poseen características inherentes que constituyen por completo su funcionamiento, dichas características deben ser cumplidas si se quiere un sistema que pueda completar toda tarea destinada con eficacia; después de todo, si se remplaza la mano de obra humana por SC, la eficacia y el tiempo de respuesta al completar un objetivo debe ser prioridad.

A continuación, te menciono todas las características de un SC y su descripción. Es importante que sepas reconocerlas, ya que, te pueden permitir saber si un sistema es eficaz o no.

 

Característica #1: control

La característica de control nos dice que un SC debe permitir la selección de las entradas, además de que, las salidas o los estados cambien de acuerdo a como se desee.

Esta característica viene acompañada de cuatro factores de funcionamiento:

  • Cantidad
  • Costo
  • Calidad
  • Tiempo

El control también tiene el objetivo de establecer medidas correctivas, detectar desviaciones (diferencias entre la ejecución y la planeación) y la verificación de que las tareas se han completado exitosamente.

 

Característica #2: señal de corriente de entrada 

La señal de corriente de entrada funciona como estímulo para el SC, dicho estimulo se origina desde una fuente de alimentación o energía y tiene el objetivo de que el sistema genere una respuesta puntualizada.

 

Característica #3: señal de corriente de salida

Esta señal es la respuesta que se obtiene después de un proceso, y dependiendo con qué tipo de sistema de control estés trabajando, esta señal de salida puede o no relacionarse con la señal de corriente de entrada.

 

Característica #4: variable manipulada

La variable manipulada es aquella medición o elemento en el que se modifica su magnitud a través de un proceso, con el objetivo de obtener una respuesta esperada.

 

Característica #5: conversión

La conversión representa aquel proceso donde se generan las modificaciones que se producen en la variable con la que se está trabajando.

 

Característica #6: variable controlada

Un sistema de control debe tener una variable controlada, es decir, un elemento el cual se desea controlar y/o modificar. Casi siempre esta variable controlada es la señal de salida.

 

Característica #7: fuente de energía

Esta característica es importante, ya que es elemento que entrega la energía suficiente para que exista un proceso en el sistema de control.

 

Característica #8: variaciones externas

Las variaciones externas son aquellos elementos que pueden influir dentro de la acción de producir un cambio, generalmente ara realizar una corrección.

 

Característica #9: variables de fase

Las variables de fase son aquellas que son resultado de la modificación del sistema de control original a la forma canónica controlable. De esta variable nace una herramienta importante: la matriz de controlabilidad, la cual debe estar en un rango de orden completo, para que el sistema se mantenga completamente en control.

 

Característica #10: retroalimentación

¿Recuerdas los sistemas de control de lazo cerrado? Pues esta es una característica muy importante en dichos sistemas. La retroalimentación en los SC se puede definir como una relación de naturaleza secuencial de causa y efecto entre las variables de estado disponibles.

En un sistema puede existir una realimentación positiva o negativa, dependiendo de la acción correctiva y si esta se acepta o no.

Como puedes darte cuenta, son 10 características que se deben de tomar en cuenta si quieres trabajar en profundidad con un SC, no obstante, también debes saber con qué tipo de sistema de control estas trabajando.

Es por eso que a continuación hablaremos de los tipos de SC que existen y sus detalles. Con este apartado, terminaríamos todo lo relacionado con los SC ¡Vamos!

 

Tipos de sistemas de control

Ahora, y como apartado final, conocerás cuales son los tipos de control que existen actualmente. Cabe destacar que, conforme pase el tiempo y la evolución de la tecnología, lo más probable es que se agreguen más a la lista.

En otras fuentes puedes encontrar diferentes clasificaciones dentro de los tipos de SC, así como grupos selectos. Yo te enseñaré los tipos de sistemas más importantes, así como su descripción. No te preocupes, que será rápido y muy fácil de entender.

 

Tipo #1: creados por el hombre

Los SC creados por el hombre son todos aquellos que requieren una fuente de energía o de alimentación para funcionar (sistemas de naturaleza eléctrica o electrónica).

Estos sistemas se caracterizan por estar en constante funcionamiento, capturando señales externas e interpretándolas para hacer activar un elemento o componente externo mediante una salida.

Generalmente esto se realiza gracias a que tienen el objetivo de detectar desviaciones en los parámetros programados del funcionamiento normal de dicho sistema.

Para realizar la función que vimos anteriormente, estos SC emplean dispositivos electrónicos como los sensores. El uso del sensor dependerá de la magnitud física con la que se quiera trabajar y la señal de entrada que se desee recibir.

Un ejemplo rápido que puedo mencionarte, son las cámaras infrarrojas o las temográficas, las cuales son capaces de detectar movimiento en un determinado entorno gracias a la radiación infrarroja; si la cámara capta una variación de radiación infrarroja en el área, el sistema actúa activando una señal de alarma.

Pero espera, que aquí no acaba este tipo de sistemas. Los SC creados por el hombre son más complejos, tienen ciertas características y son parte de este grupo de SC.

  1. Sistema causal o no causal: se dice que un sistema de control es causal cuando hay una relación de causalidad entre entradas y salidas de dicho sistema.
  2. Entradas y salidas: dependiendo del número de entradas y salidas del sistema, será el comportamiento del sistema. Existen sistemas de una entrada y una salida (SISO), una entrada y múltiples salidas (SIMO), múltiples entradas y una salida (MISO) y múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO).
  3. Linealidad: un sistema de control es lineal o no lineal dependiendo de la ecuación diferencial que lo representa.
  4. Función del tiempo: un sistema de control puede ser de tiempo continuo o de variables analógicas (el modelo del sistema es representado por una ecuación diferencial), de tiempo discreto (el modelo del sistema es representado por una ecuación por diferencias y el tiempo es dividido en lapsos de valor constante) o de eventos discretos (el sistema funciona y crece dependiendo de variables cuyos valores se establecen gracias a un evento).
  5. Relación de las variables de los sistemas: dos SC pueden estar acoplados o desacoplados. Se dice que dos sistemas están acoplados cuando las variables de uno de los sistemas están relacionadas con las variables del otro sistema. Mientras tanto, se dice que dos sistemas están desacoplados cuando las variables de ambos no se relacionan.
  6. Evolución de las variables de un sistema: dependiendo de la evolución de las variables de un sistema, podemos encontrar sistemas estacionarios o no estacionarios. Se dice que un sistema es estacionario cuando sus variables se encuentran constantes en el tiempo y en el espacio. Mientras tanto, un sistema es no estacionario cuando sus variables no son constantes en el tiempo o en el espacio.
  7. Respuesta del sistema: dependiendo del valor de la salida respecto a la variación de la entrada, podemos encontrar sistemas estables o inestables. Se dice que un sistema es estable si ante cualquier señal de entrada acotada, se produce una señal de salida acotada. Mientras tanto, se dice que un sistema es inestable cuando existe al menos una señal de entrada acotada que genere una señal de salida no acotada.
  8. Lazo abierto y lazo cerrado: este término lo vimos con anterioridad, pero no está de más recordarlo. Se dice que un sistema de control es de lazo abierto cuando no hay retroalimentación entre la señal de salida y la señal de entrada (señal de referencia). Mientras tanto, se dice que un sistema es de lazo cerrado cuando existe una retroalimentación entre la señal de salida y la señal de entrada.
  9. Predicción de respuesta: dependiendo de la posibilidad de predicción de respuesta de un sistema, podemos encontrar sistemas deterministas o estocásticos. Se dice que un sistema de control es determinista si su respuesta futura es predecible dentro de un rango de tolerancia. Mientras que, en un sistema estocástico, es imposible predecir una respuesta futura, debido a que sus variables son aleatorias.

 

Tipo #2: naturales

Este tipo de sistemas son muy fáciles de encontrar, ya que son todos aquellos sistemas de control que se encuentran en la naturaleza y son de orden biológico, creados sin influencia del ser humano.

No hace falta ir lejos para encontrar un ejemplo, ya que dicho ejemplo se encuentra en ti y en el movimiento de tu cuerpo; caminar, correr, bailar, agacharse, son resultado de nuestro sistema biológico, el cual es respuesta de nuestro sistema de control llamado cerebro.

En este tipo de SC, también están los psicológicos, donde el SC son los pensamientos y la salida o respuesta son las acciones o las palabras.

 

Tipo #3: conjuntos

Este tipo de sistemas de control es una combinación entre los sistemas de control creados por el hombre y los sistemas de control naturales. En este tipo de sistemas, podemos poner de ejemplo a un hombre piloteando un avión, ya que nuestro sistema biológico de reacción y movimiento son los que guían al avión en el camino, siendo el avión solo una herramienta externa.

¡Felicidades! Hemos llegado al final de esta interesante clase sobre los sistemas de control y todos los conceptos que rodean a este tema. Si has llegado hasta aquí, significa que ahora sabes todo sobre los SC y puedes trabajarlos de manera teórica con facilidad y sobre todo en una forma profesional.

Recuerda que hay muchos tipos de SC, y la mayoría de ellos tienen características distintas que los hacen eficientes al realizar una tarea. Sin embargo, un SC debe tener como objetivo completar una tarea a través de un determinado proceso, con variables medidas, entradas y salidas.

No te preocupes, antes de despedirme te dejo algunos puntos importantes que valen la pena recordar en esta racha final.

  • ¿Qué es un sistema de control? Un sistema de control se define como un conjunto de elementos o dispositivos que se encuentran conectados entre sí, con la finalidad de administrar, ordenar y regular otros sistemas relacionados para que así se reduzcan las probabilidades de error y llegar de manera óptima a los objetivos planteados.
  • Existen dos clasificaciones de SC:
    • Sistemas de control de lazo abierto
    • Y sistemas de control de lazo cerrado.
  • En los sistemas de control de lazo cerrado existe una retroalimentación entre la salida y la entrada, mientras que en los sistemas de lazo abierto la salida es independiente.
  • Existen tres componentes básicos en un SC: actuador, transductor y controlador, los cuales se encargan de las tres operaciones básicas de un sistema de control.
  • Las características de un SC son importantes, ya que te permitirán saber con qué tipo de SC estas trabajando y que debe cumplir dicho sistema de control.

Espero de todo corazón que hayas aprendido mucho. Si te ha servido, no olvides compartir este articulo con un colega que también tenga hambre de aprender.

Recuerda: No dejes de alimentar tu alma científica. ¡Hasta pronto, viajero/a!

 


Juan Carlos G

Desarrollador de sistemas de rastreo satelital

Hola, sean bienvenidos todos a Amplificadores.info, he creado este blog donde intentare enseñar todo lo que se sobre la amplificación de señales, lo hare tal y como lo aprendí mientras estudiaba Ingeniería eléctrica electrónica en la UNAM. Espero les guste, ya que, mi objetivo es aportar mi granito de arena en las nuevas generaciones.

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