Sistema de control

El regulador centrífugo es un mecanismo de control proporcional primitivo .

Un sistema de control gestiona, ordena, dirige o regula el comportamiento de otros dispositivos o sistemas mediante bucles de control . Puede abarcar desde un controlador de calefacción doméstico que utiliza un termostato para controlar una caldera, hasta grandes sistemas de control industrial empleados para controlar procesos o máquinas. Los sistemas de control se diseñan mediante un proceso de ingeniería de control .

Para el control de modulación continua, se utiliza un controlador de retroalimentación para controlar automáticamente un proceso u operación. El sistema de control compara el valor o estado de la variable de proceso (VP) que se controla con el valor deseado o punto de consigna (PC), y aplica la diferencia como señal de control para que la salida de la variable de proceso de la planta coincida con el valor del punto de consigna.

Para la lógica secuencial y combinacional , se utiliza lógica de software , como por ejemplo en un controlador lógico programable .

Control de lazo abierto y de lazo cerrado

Fundamentalmente, existen dos tipos de bucles de control: el control de bucle abierto (anticipación) y el control de bucle cerrado (retroalimentación).

En el control de lazo abierto, la acción de control del controlador es independiente de la "salida del proceso" (o "variable de proceso controlada"). Un buen ejemplo es una caldera de calefacción central controlada únicamente por un temporizador, de modo que se aplica calor durante un tiempo constante, independientemente de la temperatura del edificio. La acción de control consiste en encender y apagar la caldera, pero la variable controlada debería ser la temperatura del edificio; sin embargo, no lo es porque se trata de un control de lazo abierto de la caldera, lo que no proporciona un control de lazo cerrado de la temperatura.
En el control de lazo cerrado, la acción de control del controlador depende de la salida del proceso. En el caso de la analogía de la caldera, esto incluiría un termostato para monitorear la temperatura del edificio y, por lo tanto, enviar una señal de retroalimentación para asegurar que el controlador mantenga el edificio a la temperatura establecida en el termostato. Por consiguiente, un controlador de lazo cerrado tiene un lazo de retroalimentación que asegura que el controlador ejerza una acción de control para dar una salida del proceso igual a la "entrada de referencia" o "punto de ajuste". Por esta razón, los controladores de lazo cerrado también se denominan controladores de retroalimentación. ^{[ 1 ]}

La definición de un sistema de control de lazo cerrado según la British Standards Institution es "un sistema de control que posee retroalimentación de monitoreo, la señal de desviación formada como resultado de esta retroalimentación se utiliza para controlar la acción de un elemento de control final de tal manera que tienda a reducir la desviación a cero". ^{[ 2 ]}

Asimismo; "Un sistema de control de retroalimentación es un sistema que tiende a mantener una relación prescrita entre dos variables del sistema comparando funciones de dichas variables y utilizando la diferencia como medio de control." ^{[ 2 ]}

Sistemas de control de retroalimentación

{\displaystyle w(t)} — Ilustración de un control de lazo cerrado que consta de un punto de ajuste. $w(t)$ Salida medida $y_{m}(t)$ Error medido $e(t)$ Salida del controlador $u(t)$ Entrada del sistema $u_{s}(t)$ , Perturbación $d(t)$ y Salida del sistema $y(t)$

Un controlador de lazo cerrado o controlador de retroalimentación es un lazo de control que incorpora retroalimentación , a diferencia de un controlador de lazo abierto o controlador sin retroalimentación . Un controlador de lazo cerrado utiliza la retroalimentación para controlar los estados o salidas de un sistema dinámico . Su nombre proviene de la ruta de información en el sistema: las entradas del proceso (por ejemplo, el voltaje aplicado a un motor eléctrico ) tienen un efecto en las salidas del proceso (por ejemplo, la velocidad o el par del motor), que se mide con sensores y es procesado por el controlador; el resultado (la señal de control) se "realimenta" como entrada al proceso, cerrando el lazo. ^{[ 3 ]}

En el caso de los sistemas de retroalimentación lineal , se configura un bucle de control que incluye sensores , algoritmos de control y actuadores para regular una variable en un punto de consigna (PC). Un ejemplo cotidiano es el control de crucero de un vehículo; donde factores externos como las pendientes provocan cambios de velocidad, y el conductor puede modificar la velocidad deseada. El algoritmo PID del controlador restablece la velocidad real a la deseada de forma óptima, con un retardo o sobreimpulso mínimo , controlando la potencia del motor del vehículo. Los sistemas de control que incorporan algún tipo de detección de los resultados que buscan alcanzar utilizan la retroalimentación y pueden adaptarse a diversas circunstancias hasta cierto punto. Los sistemas de control de bucle abierto no utilizan la retroalimentación y funcionan únicamente de forma preestablecida.

Los controladores de lazo cerrado presentan las siguientes ventajas sobre los controladores de lazo abierto:

rechazo de perturbaciones (como las colinas en el ejemplo del control de crucero anterior)
Rendimiento garantizado incluso con incertidumbres del modelo , cuando la estructura del modelo no coincide perfectamente con el proceso real y los parámetros del modelo no son exactos.
Los procesos inestables pueden estabilizarse.
Sensibilidad reducida a las variaciones de los parámetros
Rendimiento de seguimiento de referencia mejorado
rectificación mejorada de fluctuaciones aleatorias ^{[ 4 ]}

En algunos sistemas, se utilizan simultáneamente el control de lazo cerrado y el de lazo abierto. En estos sistemas, el control de lazo abierto se denomina prealimentación y sirve para mejorar aún más el rendimiento del seguimiento de referencia.

Una arquitectura común de controlador de lazo cerrado es el controlador PID .

Control lógico

Históricamente, los sistemas de control lógico para maquinaria industrial y comercial se implementaban mediante relés eléctricos interconectados y temporizadores de leva utilizando lógica de escalera . Hoy en día, la mayoría de estos sistemas se construyen con microcontroladores o controladores lógicos programables (PLC) más especializados. La notación de lógica de escalera todavía se utiliza como método de programación para PLC. ^{[ 5 ]}

Los controladores lógicos pueden responder a interruptores y sensores, y pueden hacer que la maquinaria inicie y detenga diversas operaciones mediante el uso de actuadores . Los controladores lógicos se utilizan para secuenciar operaciones mecánicas en numerosas aplicaciones. Algunos ejemplos son los ascensores, las lavadoras y otros sistemas con operaciones interrelacionadas. Un sistema de control secuencial automático puede activar una serie de actuadores mecánicos en la secuencia correcta para realizar una tarea. Por ejemplo, varios transductores eléctricos y neumáticos pueden plegar y pegar una caja de cartón, llenarla con el producto y luego sellarla en una máquina de embalaje automática.

El software de PLC se puede escribir de muchas maneras diferentes: diagramas de escalera, diagramas de funciones secuenciales o listas de instrucciones . ^{[ 6 ]}

Control de encendido/apagado

El control de encendido/apagado utiliza un controlador de retroalimentación que conmuta bruscamente entre dos estados. Un termostato doméstico bimetálico sencillo puede describirse como un controlador de encendido/apagado. Cuando la temperatura ambiente (PV) desciende por debajo del valor configurado por el usuario (SP), se enciende la calefacción. Otro ejemplo es un interruptor de presión en un compresor de aire. Cuando la presión (PV) cae por debajo del valor de consigna (SP), se activa el compresor. Los refrigeradores y las bombas de vacío contienen mecanismos similares. Los sistemas de control de encendido/apagado sencillos como estos pueden ser económicos y eficaces.

Control lineal

El control lineal comprende sistemas y teoría de control basados en la retroalimentación negativa para generar una señal de control que mantenga la variable de proceso controlada (PV) en el punto de consigna deseado (SP). Existen diversos tipos de sistemas de control lineal con diferentes capacidades.

lógica difusa

La lógica difusa es un intento de aplicar el diseño sencillo de los controladores lógicos al control de sistemas complejos de variación continua. Básicamente, una medición en un sistema de lógica difusa puede ser parcialmente cierta.

Las reglas del sistema están escritas en lenguaje natural y se traducen a lógica difusa. Por ejemplo, el diseño de un horno comenzaría con: "Si la temperatura es demasiado alta, reduce el suministro de combustible al horno. Si la temperatura es demasiado baja, aumenta el suministro de combustible al horno".

Las mediciones del mundo real (como la temperatura de un horno) se difuminan y la lógica se calcula mediante aritmética, en contraposición a la lógica booleana , y las salidas se desdifuminan para controlar los equipos.

Cuando un diseño difuso robusto se reduce a un cálculo único y rápido, comienza a asemejarse a una solución de bucle de retroalimentación convencional, y podría parecer que el diseño difuso era innecesario. Sin embargo, el paradigma de la lógica difusa puede proporcionar escalabilidad para grandes sistemas de control donde los métodos convencionales resultan engorrosos o costosos de implementar.

La electrónica difusa es una tecnología electrónica que utiliza lógica difusa en lugar de la lógica binaria que se usa más comúnmente en la electrónica digital .

Implementación física

La implementación de sistemas de control abarca desde controladores compactos, a menudo con software específico para una máquina o dispositivo en particular, hasta sistemas de control distribuido para el control de procesos industriales en una gran planta física .

Los sistemas lógicos y los controladores de retroalimentación suelen implementarse con controladores lógicos programables . El Dispositivo de Automatización Ampliamente Reconfigurable y Expandible (BREAD) es un marco reciente que proporciona numerosos dispositivos de hardware de código abierto que pueden conectarse para crear sistemas de control y adquisición de datos más complejos . ^{[ 7 ]}

Véase también

Automatización de edificios – Rama de la automatización
Método del diagrama de coeficientes
Teoría de control : rama de la ingeniería y las matemáticas.
Cibernética : estudio de los procesos causales circulares.
Sistema de control distribuido : sistema de control computarizado con toma de decisiones distribuida.
Control de velocidad descendente : modo de control para generadores de corriente alterna.
Educación y formación de ingenieros eléctricos y electrónicos
EPICS – Infraestructura de software para la construcción de sistemas de control distribuido
Buen regulador : Teorema en cibernética. Páginas que muestran breves descripciones de objetivos de redireccionamiento.
Guía, navegación y control – Rama de la ingeniería
Sistema de control jerárquico : modelo por capas para la organización de componentes en software y robótica.
Sistema de control HVAC – Sistema de control para equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado.
Sistema de control industrial – Sistemas de control de procesos e instrumentación asociada
Control de movimiento : campo de la automatización que estudia cómo mover con precisión las partes de las máquinas.
Sistema de control en red
Control numérico – Control informático de máquinas herramienta Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redirección
Teoría del control perceptivo – Teoría psicológica
Controlador PID – Mecanismo de retroalimentación del bucle de control
Control de procesos : Disciplina que utiliza el control industrial para lograr un nivel de producción uniforme.
Optimización de procesos : serie de acciones para mejorar el uso efectivo.
Controlador lógico programable : computadora digital programable utilizada para controlar maquinaria.
Computación en tiempo real : estudio de sistemas de hardware y software que tienen una "restricción de tiempo real".
Sistema de datos muestreados
SCADA – Arquitectura de sistema de control para la supervisión de máquinas y procesos.
VisSim – Software para la simulación de sistemas dinámicos

Referencias

↑ "Sistemas de retroalimentación y control" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams. Serie de esquemas de Schaum, McGraw-Hill, 1967.
1 2 Mayr, Otto (1970). Los orígenes del control por retroalimentación . Clinton, MA EE. UU.: The Colonial Press, Inc.
↑ Bechhoefer, John (31 de agosto de 2005). "Retroalimentación para físicos: un ensayo tutorial sobre control" . Reviews of Modern Physics . 77 (3): 783– 836. doi : 10.1103/RevModPhys.77.783 .
↑ Cao, FJ; Feito, M. (2009-04-10). "Termodinámica de sistemas controlados por retroalimentación" . Physical Review E. 79 ( 4) 041118. arXiv : 0805.4824 . doi : 10.1103/PhysRevE.79.041118 .
↑ Kuphaldt, Tony R. "Capítulo 6 LÓGICA DE ESCALERA" . Lecciones de circuitos eléctricos - Volumen IV . Archivado del original el 12 de septiembre de 2010. Recuperado el 22 de septiembre de 2010 .
↑ Brady, Ian. "Controladores lógicos programables: beneficios y aplicaciones" (PDF) . PLC . Archivado (PDF) del original el 2 de febrero de 2014. Recuperado el 5 de diciembre de 2011 .
↑ Hafting, Finn K.; Kulas, Daniel; Michels, Etienne; Chipkar, Sarvada; Wisniewski, Stefan; Shonnard, David; Pearce, Joshua M. (2023-12-05). "Diseño modular de código abierto de electrónica de control y monitorización de reactores de pirólisis" . Electronics . 12 (24): 4893. doi : 10.3390/electronics12244893 . ISSN 2079-9292 .

Enlaces externos

SystemControl permite crear, simular o ejecutar bucles de control HWIL con Python. Incluye filtro de Kalman, control LQG, entre otros.
Dirección de vuelo semiautónoma - Referencia: unmannedaircraft.org
Caja de herramientas para sistemas de control , destinada al diseño y análisis de sistemas de control.
Fabricante de sistemas de control. Diseño y fabricación de sistemas de control.
Funciones de Mathematica para el análisis, diseño y simulación de sistemas de control.
Sistema de control Python (PyConSys): Crea y simula bucles de control con Python. IA para configurar parámetros PID.

[Control_loop_auto-1] "Sistemas de retroalimentación y control" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams. Serie de esquemas de Schaum, McGraw-Hill, 1967.

[Control_loop_Mayr-2] 1 2 Mayr, Otto (1970). Los orígenes del control por retroalimentación . Clinton, MA EE. UU.: The Colonial Press, Inc.

[3] Bechhoefer, John (31 de agosto de 2005). "Retroalimentación para físicos: un ensayo tutorial sobre control" . Reviews of Modern Physics . 77 (3): 783– 836. doi : 10.1103/RevModPhys.77.783 .

[4] Cao, FJ; Feito, M. (2009-04-10). "Termodinámica de sistemas controlados por retroalimentación" . Physical Review E. 79 ( 4) 041118. arXiv : 0805.4824 . doi : 10.1103/PhysRevE.79.041118 .

[Kuphaldt_LADDER_LOGIC-5] Kuphaldt, Tony R. "Capítulo 6 LÓGICA DE ESCALERA" . Lecciones de circuitos eléctricos - Volumen IV . Archivado del original el 12 de septiembre de 2010. Recuperado el 22 de septiembre de 2010 .

[Ian_Brady_PLCs-6] Brady, Ian. "Controladores lógicos programables: beneficios y aplicaciones" (PDF) . PLC . Archivado (PDF) del original el 2 de febrero de 2014. Recuperado el 5 de diciembre de 2011 .

[7] Hafting, Finn K.; Kulas, Daniel; Michels, Etienne; Chipkar, Sarvada; Wisniewski, Stefan; Shonnard, David; Pearce, Joshua M. (2023-12-05). "Diseño modular de código abierto de electrónica de control y monitorización de reactores de pirólisis" . Electronics . 12 (24): 4893. doi : 10.3390/electronics12244893 . ISSN 2079-9292 .

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