Estructura de los sistemas automáticos
Cuando se pretende poner en evidencia el modo en que se controla un sistema automático, se suele dividir a este en dos subsistemas:
- subsistema controlador
- subsistema a controlar
El subsistema a controlar (también llamado planta o proceso) está formado por un conjunto de partes relacionadas entre sí de modo de realizar una determinada función o proceso, cuyo comportamiento se desea controlar. En el caso particular del lavarropas, el sistema a controlar es el cilindro o tanque. En él existen diferentes funciones o procesos susceptibles de ser controlados: la variación de la temperatura del agua en su interior, la cantidad de agua que ingresa, la velocidad, frecuencia y sentido de giro. Cada una de estas funciones requiere de un sistema de control (llamado también controlador) diferente. Así, por ejemplo, el controlador de la temperatura debe ser un sistema formado por dispositivos capaces de tomar información de la temperatura del agua, compararla con la que se desea alcanzar y decidir si es necesario entregarle calor o no Del mismo modo, el controlador de la cantidad de agua en el tanque, debe poseer dispositivos capaces de observar el nivel de agua existente, y abrir o cerrar el ingreso del agua según corresponda. El controlador del movimiento del tambor debe poseer un dispositivo temporizador capaz de activarlo durante diferentes intervalos de tiempo, variando además la velocidad o el sentido de giro.
Tipos de estructuras.
Lazo abierto y lazo cerrado
En la clase anterior se presentaron dos maneras diferentes de resolver problemas de automatización: el control por tiempo y el control realimentado. En este capítulo retomamos esta clasificación, asociándola con dos estructuras típicas de los sistemas de control automático:
- estructuras de control a lazo abierto
- estructuras de control a lazo cerrado
Con la intención de analizar las diferencias entre ambas estructuras, dejamos por un momento el lavado de ropa y tomamos como ejemplo otra aplicación de los sistemas automáticos: los sistemas de riego.
El riego automático por tiempo
En el campo o en la ciudad, en grandes plantaciones o en pequeñas huertas o plazas públicas, se suelen utilizar sistemas de riego automáticos. Estos, por lo general, poseen algún tipo de dispositivo que almacena la información de la hora del día en que se debe abrir el paso del agua y, además, el tiempo durante el cual se debe mantener abierto. Esta información es programada previamente en base al conocimiento que se tiene sobre los cultivos, las características el suelo y las perspectivas del pronóstico meteorológico. Además, cuando se está planificando una producción de vegetales, el riego se decide de modo de lograr aumentar la productividad de las plantaciones, aumentando su rendimiento.
El siguiente diagrama de bloques representa la estructura de un posible sistema automático de riego.
La flecha punteada representa el flujo de información que permite abrir o cerrar el paso del agua; la flecha llena representa el flujo de agua que viene de algún tipo de depósito y pasa al suelo. El flujo de información que sale del controlador (el temporizador programable), controla el paso del flujo de materia hacia el sistema a controlar (la humedad del suelo, en este caso). La electroválvula, cuya función es actuar sobre el sistema a controlar, cumple una función conocida genéricamente por el nombre de actuador.
¿Qué ocurre con las plantaciones si las lluvias no coinciden con las pronosticadas o si la presión del agua que sale de las cañerías sufre modificaciones? En este caso, el sistema de control no es capaz de reaccionar a los cambios, la tierra a regar puede llegar a inundarse o secarse debido a que el controlador no puede "adaptarse", modificando la duración del tiempo de riego en función de las mayores o menores necesidades de humedad por parte del suelo. La estructura de este sistema de control se caracteriza por poseer un flujo de información que circula en un único sentido (desde el controlador hacia el sistema a controlar). A este tipo de estructuras se las conoce con el nombre estructuras de control a lazo abierto. Los sistemas de control por tiempo pertenecen a un conjunto de sistemas de control que poseen este tipo de estructuras. El siguiente diagrama de bloques representa la estructura general un sistema de control a lazo abierto.
El riego automático con sensores
¿Cómo es posible lograr un sistema de riego que sea capaz de reaccionar a los cambios? El sistema deberá modificar de manera automática la duración del riego, en función de la humedad existente en el suelo. A tal fin, el controlador, deberá recibir la información de la variable a controlar (humedad del suelo) a través de un sensor y tomar decisiones: si la humedad resulta menor que la que se necesita, el controlador aumentará el tiempo de riego y, si es mayor, lo disminuirá. De este modo la duración del riego se ajusta de acuerdo con la humedad existente en el suelo. La estructura de un sistema de control de estas características posee un flujo de información que va del controlador al sistema a controlar y del sistema a controlar al controlador. Gracias a este flujo de información, el controlador puede decidir si realiza algún tipo de ajuste o corrección, comparando con cierta información (que tiene almacenada) sobre el resultado que se espera obtener en el sistema a controlar. A los sistemas que poseen esta estructura se los conoce como sistemas con estructuras de control a lazo cerrado. Los sistemas de control realimentados pueden representarse mediante el siguiente diagrama de bloques.
TAREA N°1
Hemos analizado las diferencias entre el control a lazo abierto y el control a lazo cerrado. Vimos que en los sistemas a lazo cerrado se hallan presentes sensores que permiten que se generen lazos de realimentación.
¿Es posible encontrar sistemas automáticos que posean sensores y que no presenten lazos de realimentación? Fundamente su respuesta.
La realimentación y los sensores Todo sistema realimentado posee sensores, pero... no todo sistema con sensores es realimentado. La realimentación ocurre cuando existe un flujo de información que sale de la planta o proceso que se desea controlar y se dirige hacia la entrada del controlador, a través del sensor; así, el sistema controlador, puede conocer el estado de la planta o proceso y compararlo con el comportamiento que se desea lograr.
Existen sistemas con sensores en los que no es posible reconocer lazos de realimentación. En estos casos, la información que detectan los sensores no proviene de la propia variable que se desea controlar. El caso de los sistemas contra incendios constituye un ejemplo de sistemas automáticos con sensores pero sin realimentación.
Como puede verse en el diagrama, el sistema está preparado para reaccionar, por ejemplo, ante un incremento no deseado del nivel de humo en el ambiente. El sensor, que informa al controlador si el nivel de humo se ha elevado demasiado y este último toma la decisión de accionar o no el rociador para echar agua en el recinto a proteger
A partir de esta diferenciación es posible generar una primera clasificación de los sistemas automáticos, basada en sus características estructurales:
TAREA N°2
Mediante esta actividad les propongo ejercitar el procedimiento de análisis de partes y funciones de un sistema automático y la representación de la estructura mediante diagrama de bloques. La actividad le permitirá, también, profundizar los criterios que permiten clasificar a los sistemas automáticos según el tipo de estructura que poseen.
Consigna 1
Analice cada uno de los sistemas de control automático presentados a continuación y responda a las siguientes consignas:
- Identificar sensor, controlador, actuador y planta o proceso a controlar.
- Hacer el diagrama de bloques correspondiente.
- Indicar a qué tipo de estructura de sistema de control corresponde.
Consigna 2
Repita el análisis para cada uno de los sistemas automáticos descriptos más abajo.
- El control de nivel de agua está formado por los siguientes elementos: un dispositivo capaz de detectar cuando el tambor se encuentra lleno, una electrovávula que abre o cierra el paso del agua mediante una señal eléctrica y un circuito diseñado especialmente para recibir la información del detector y generar la señal eléctrica necesaria para la electroválvula.
- El control de temperatura del agua está formado por los siguientes elementos: un dispositivo capaz de detectar si el agua está fría o caliente, una resistencia eléctrica que puede calentar o no según se haga circular corriente eléctrica a través de ella y un circuito diseñado especialmente para recibir la información del detector y generar la circulación de corriente por la resistencia.
- El control del movimiento del tambor está formado por los siguientes elementos: un dispositivo capaz de contar el tiempo y enviar una señal eléctrica cuando se cumple un tiempo prefijado, un motor eléctrico que hace girar el tambor.
- El control de apertura de la puerta del lavarropas posee un dispositivo que detecta si esta se abre mientras el sistema se halla funcionando; en esa caso envía la información a un circuito encargado de detener el motor.
- La puerta de acceso al centro comercial posee dos dispositivos detectores (uno detecta que se acerca una persona y el otro que la persona ya atravesó la puerta), un circuito que recibe la información de los detectores y toma la decisión de abrir o cerrar la puerta mediante un cilindro neumático que funciona gracias a la presión del aire almacenado en un compresor.
- Un horno eléctrico automático posee un reloj que permite programar el tiempo durante el cuál se mantendrá encendido el elemento calefactor.
- Un horno automático posee un dispositivo que mide la temperatura en su interior, un circuito que recibe esta información y toma la decisión de aumentar o disminuir la potencia del calefactor para mantener la temperatura indicada por el usuario.
