Cuando se combinan varios elementos para formar un sistema para producir el resultado deseado, entonces el sistema se denomina sistema de control. Como este sistema controla la salida, se refiere así. Cada elemento conectado al sistema tiene su propio efecto en la salida.
Definición del sistema de control
Un sistema de control es un sistema de dispositivos o conjunto de dispositivos, que gestiona, ordena, dirige o regula el comportamiento de otros dispositivos o sistemas para conseguir los resultados deseados. En otras palabras, el definición de un sistema de control puede simplificarse como un sistema, que controla otros sistemas. A medida que la civilización humana se moderniza día a día, la demanda de automatización aumenta en consecuencia. La automatización requiere en gran medida el control de los dispositivos.
En los últimos años, los sistemas de control han desempeñado un papel fundamental en el desarrollo y el avance de la tecnología y la civilización modernas. Prácticamente todos los aspectos de nuestra vida cotidiana se ven afectados en mayor o menor medida por algún sistema de control. Un tanque de baño, un refrigerador, un aire acondicionado, un vejestorio, una plancha automática, un automóvil, todos son sistemas de control. Estos sistemas también se utilizan en procesos industriales para obtener más rendimiento. Encontramos sistemas de control en el control de calidad de los productos, sistema de armas, sistemas de transporte, sistema de energía, tecnología espacial, robótica y muchos más. El principios de la teoría de control son aplicables tanto al campo de la ingeniería como al de la no ingeniería. Puede aprender más sobre los sistemas de control estudiando nuestro sistema de control MCQs.
Características de un sistema de control
El principal característica de un sistema de control es que debe haber una clara relación matemática entre la entrada y la salida del sistema. Cuando la relación entre la entrada y la salida del sistema puede ser representada por una proporcionalidad lineal, el sistema se denomina sistema de control lineal. Una vez más, cuando la relación entre la entrada y la salida no puede representarse mediante una simple proporcionalidad lineal, sino que la entrada y la salida están relacionadas por alguna relación no lineal, el sistema se denomina sistema de control no lineal.
Requisitos de un buen sistema de control
Precisión: La precisión es la tolerancia de medición del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se utiliza en condiciones normales de funcionamiento. La precisión puede mejorarse utilizando elementos de retroalimentación. Para aumentar la precisión de cualquier sistema de control detector de errores debería estar presente en el sistema de control.
Sensibilidad: Los parámetros de un sistema de control siempre cambian con el cambio de las condiciones del entorno, las perturbaciones internas o cualquier otro parámetro. Este cambio puede expresarse en términos de sensibilidad. Todo sistema de control debe ser insensible a esos parámetros, pero sólo sensible a las señales de entrada.
Ruido: Una señal de entrada no deseada se conoce como ruido. Un buen sistema de control debería ser capaz de reducir el efecto del ruido para un mejor rendimiento.
Estabilidad: Es una característica importante del sistema de control. Para la señal de entrada acotada, la salida debe ser acotada y si la entrada es cero, la salida debe ser cero, entonces se dice que tal sistema de control es un sistema estable.
Ancho de banda: Un rango de frecuencias operativas decide el ancho de banda del sistema de control. El ancho de banda debe ser lo más grande posible para la respuesta de frecuencia de un buen sistema de control.
Velocidad: Es el tiempo que tarda el sistema de control en lograr su salida estable. Un buen sistema de control posee una alta velocidad. El período transitorio para tal sistema es muy pequeño.
Oscilación: Un pequeño número de oscilación o una oscilación constante de la salida tienden a indicar que el sistema es estable.
Tipos de sistemas de control
Hay varios tipos de sistemas de controlpero todas ellas están creadas para controlar las salidas. El sistema utilizado para controlar la posición, la velocidad, la aceleración, la temperatura, la presión, el voltaje y la corriente, etc., son ejemplos de sistemas de control.
Tomemos un ejemplo del simple controlador de temperatura de la habitación, para aclarar el concepto. Supongamos que hay un simple elemento calefactor, que se calienta mientras el suministro de energía eléctrica está encendido. Mientras el interruptor de la fuente de alimentación del calentador esté encendido, la temperatura de la habitación aumenta y después de alcanzar la temperatura deseada de la habitación, la fuente de alimentación se apaga. Nuevamente debido a la temperatura ambiente, la temperatura de la habitación desciende y luego se enciende manualmente el elemento calefactor para alcanzar nuevamente la temperatura deseada de la habitación. De esta manera, se puede controlar manualmente la temperatura de la habitación al nivel deseado. Este es un ejemplo de sistema de control manual.
Este sistema puede mejorarse aún más utilizando un sistema de conmutación temporizada de la fuente de alimentación en el que el suministro al elemento calefactor se enciende y se apaga en un intervalo predeterminado para alcanzar el nivel de temperatura deseado de la habitación. Hay otra forma mejorada de controlar la temperatura de la habitación. Aquí una sensor mide la diferencia entre la temperatura real y la temperatura deseada. Si hay alguna diferencia entre ellas, el elemento calefactor funciona para reducir la diferencia y cuando la diferencia es menor que un nivel predeterminado, los elementos calefactores dejan de funcionar.
Ambas formas del sistema son sistema de control automático. En el primero, la entrada del sistema es totalmente independiente de la salida del sistema. La temperatura de la habitación (salida) aumenta mientras el interruptor de la fuente de alimentación se mantenga encendido. Esto significa que el elemento calefactor produce calor mientras el suministro de energía se mantiene encendido y la temperatura final de la habitación no tiene ningún control sobre el suministro de energía de entrada del sistema. Este sistema se denomina sistema de control de bucle abierto.
Pero en este último caso, los elementos calefactores del sistema funcionan, dependiendo de la diferencia entre la temperatura real y la temperatura deseada. Esta diferencia se llama el error del sistema. Esta señal de error se retroalimenta al sistema para controlar la entrada. Como la entrada al camino de salida y el camino de retroalimentación de error crean un bucle cerrado, este tipo de sistema de control se denomina un sistema de control de circuito cerrado.
Por lo tanto, hay dos principales tipos de sistema de control. Son como sigue
- Sistema de control de bucle abierto
- Sistema de control de bucle cerrado
Sistema de control de bucle abierto
Un sistema de control en el que la acción de control es totalmente independiente de la salida del sistema entonces se llama sistema de control de bucle abierto. Un sistema de control manual es también un sistema de control de bucle abierto. La siguiente figura muestra un diagrama de bloques del sistema de control de un sistema de control de bucle abierto en el que la salida del proceso es totalmente independiente de la acción del controlador.
Ejemplos prácticos del sistema de control de bucle abierto
- Secador de manos eléctrico El aire caliente (salida) sale siempre y cuando mantengas tu mano bajo la máquina, independientemente de cuánto se haya secado tu mano.
- Lavadora automática Esta máquina funciona según el tiempo preestablecido, independientemente de si el lavado se ha completado o no.
- Tostadora de pan Esta máquina funciona según el tiempo ajustado, independientemente de que se haya completado o no el tostado.
- Máquina automática de té/café Estas máquinas también funcionan sólo durante el tiempo preajustado.
- Secador de ropa con temporizador Esta máquina seca la ropa húmeda por un tiempo preajustado, no importa cuánto se seque la ropa.
- Interruptor de la luz Las lámparas brillan cuando se enciende el interruptor de la luz, independientemente de si se requiere o no luz.
- Volumen en el sistema estéreo El volumen se ajusta manualmente independientemente del nivel de volumen de salida.
Ventajas del sistema de control de bucle abierto
- Simple en construcción y diseño.
- Económico.
- Fácil de mantener.
- Generalmente estable.
- La conveniencia de su uso como salida es difícil de medir.
Desventajas del sistema de control de bucle abierto
- Son inexactos.
- No son fiables.
- Cualquier cambio en la producción no puede ser corregido automáticamente.
Sistema de control de bucle cerrado
El sistema de control en el que la salida tiene un efecto sobre la cantidad de entrada de tal manera que la cantidad de entrada se ajustará a sí misma en base a la salida generada se llama sistema de control de circuito cerrado. Sistema de control de bucle abierto puede convertirse en un sistema de control de circuito cerrado proporcionando una retroalimentación. Esta retroalimentación hace automáticamente los cambios adecuados en la salida debido a la perturbación externa. De esta manera, el sistema de control de bucle cerrado se llama sistema de control automático. La figura a continuación muestra el diagrama de bloques del sistema de control de circuito cerrado en el que la retroalimentación se toma de la salida y se alimenta a la entrada.
Ejemplos prácticos del sistema de control de circuito cerrado
- Plancha eléctrica automática Los elementos calefactores son controlados por la temperatura de salida del hierro.
- Estabilizador de Servo Voltaje El controlador de voltaje funciona dependiendo de la salida voltaje del sistema.
- Controlador del nivel de agua El agua de entrada es controlada por el nivel de agua del depósito.
- Misil lanzado y rastreado automáticamente por el radar La dirección del misil se controla comparando el objetivo y la posición del misil.
- Un aire acondicionado El aire acondicionado funciona dependiendo de la temperatura de la habitación.
- Sistema de refrigeración en el coche Funciona dependiendo de la temperatura que controla.
Ventajas del sistema de control de bucle cerrado
- Los sistemas de control de bucle cerrado son más precisos incluso en presencia de no linealidad.
- Altamente preciso, ya que cualquier error que surja se corrige debido a la presencia de la señal de retroalimentación.
- El rango de ancho de banda es grande.
- Facilita la automatización.
- La sensibilidad del sistema puede hacerse pequeña para que el sistema sea más estable.
- Este sistema se ve menos afectado por el ruido.
Desventajas del sistema de control de circuito cerrado
- Son más costosos.
- Son complicados de diseñar.
- Necesitaba más mantenimiento.
- La retroalimentación conduce a una respuesta oscilatoria.
- La ganancia general se reduce debido a la presencia de retroalimentación.
- La estabilidad es el mayor problema y se necesita más cuidado para diseñar un sistema de circuito cerrado estable.
Comparación del sistema de control de bucle cerrado y bucle abierto
| Sr. No. | Sistema de control de bucle abierto | Sistema de control de bucle cerrado |
| 1 | El elemento de retroalimentación está ausente. | El elemento de retroalimentación está siempre presente. |
| 2 | No hay un detector de errores. | Siempre hay un detector de errores. |
| 3 | Es estable. | Puede volverse inestable. |
| 4 | Fácil de construir. | Construcción complicada. |
| 5 | Es un económico. | Es costoso. |
| 6 | Teniendo un ancho de banda pequeño. | Teniendo un gran ancho de banda. |
| 7 | Es inexacto. | Es preciso. |
| 8 | Menos mantenimiento. | Más mantenimiento. |
| 9 | No es fiable. | Es fiable. |
| 10 | Ejemplos: Secador de manos, máquina de té | Ejemplos: Estabilizador de servo voltaje, transpiración |
Bucle de retroalimentación del sistema de control
La retroalimentación es una herramienta común y poderosa cuando se diseña un sistema de control. El bucle de retroalimentación es la herramienta que tiene en cuenta la salida del sistema y permite al sistema ajustar su rendimiento para cumplir con un resultado deseado del sistema.
En cualquier sistema de control, la producción se ve afectada por cambios en las condiciones ambientales o cualquier tipo de perturbación. Así que se toma una señal de la salida y se retroalimenta a la entrada. Esta señal se compara con una entrada de referencia y se genera la señal de error. Esta señal de error se aplica al controlador y la salida se corrige. Este sistema se llama sistema de retroalimentación. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un sistema de retroalimentación.
Cuando la señal de retroalimentación es positiva, entonces el sistema llamado sistema de retroalimentación positiva. Para el sistema de retroalimentación positiva, la señal de error es la suma de la señal de entrada de referencia y una señal de retroalimentación. Cuando la señal de retroalimentación es negativa entonces el sistema se llama sistema de retroalimentación negativa. Para el sistema de retroalimentación negativa, la señal de error viene dada por la diferencia de la señal de entrada de referencia y la señal de retroalimentación.
Efecto de la retroalimentación
Remítase a la figura de al lado, que representa el sistema de retroalimentación donde
R = Señal de entrada
E = Señal de error
G = Ganancia de camino hacia adelante
H = Retroalimentación
C = Señal de salida
B = Señal de retroalimentación
- Se reduce el error entre la entrada y la salida del sistema.
- La ganancia del sistema se reduce en un factor 1/(1GH).
- Mejora de la sensibilidad.
- La estabilidad puede verse afectada.
- Mejorar la velocidad de respuesta.
