Sistema de control

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

Para el control modulado continuo, 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 (PV) que se está controlando con el valor deseado o punto de ajuste (SP), y aplica la diferencia como señal de control para que la salida de la variable de proceso de la planta tenga el mismo valor que el punto de ajuste.

Para la lógica secuencial y combinacional , se utiliza lógica de software , como en un controlador lógico programable . ^{[ aclaración necesaria ]}

Básicamente, existen dos tipos de bucle de control: control de bucle abierto (feedforward) y control de bucle cerrado (feedback).

En el control de bucle abierto, la acción de control del controlador es independiente de la "salida del proceso" (o "variable de proceso controlada"). Un buen ejemplo de esto 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 es el encendido y apagado de la caldera, pero la variable controlada debería ser la temperatura del edificio, pero no es así porque se trata de un control de bucle abierto de la caldera, que no proporciona un control de bucle cerrado de la temperatura.

En el control de bucle 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 para garantizar que el controlador mantenga el edificio a la temperatura establecida en el termostato. Por lo tanto, un controlador de bucle cerrado tiene un bucle de retroalimentación que garantiza que el controlador ejerza una acción de control para proporcionar una salida de proceso que sea igual a la "entrada de referencia" o "punto de ajuste". Por este motivo, los controladores de bucle 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, siendo la señal de desviación formada como resultado de esta retroalimentación utilizada para controlar la acción de un elemento de control final de tal manera que tienda a reducir la desviación a cero". ^[2]

De igual modo, “Un sistema de control por retroalimentación es un sistema que tiende a mantener una relación prescrita de una variable del sistema con otra comparando funciones de estas variables y utilizando la diferencia como un medio de control”. ^[3]

Un controlador de bucle cerrado o controlador con retroalimentación es un bucle de control que incorpora retroalimentación , en contraste con un controlador de bucle abierto o controlador sin retroalimentación . Un controlador de bucle cerrado utiliza la retroalimentación para controlar los estados o las 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 se procesa por el controlador; el resultado (la señal de control) se "realimenta" como entrada al proceso, cerrando el bucle. ^[4]

En el caso de los sistemas de retroalimentación lineal , se organiza un bucle de control que incluye sensores , algoritmos de control y actuadores en un intento de regular una variable en un punto de ajuste (SP). Un ejemplo cotidiano es el control de crucero en un vehículo de carretera; donde las influencias externas como las colinas causarían cambios de velocidad, y el conductor tiene la capacidad de alterar la velocidad establecida deseada. El algoritmo PID en el controlador restaura la velocidad real a la velocidad deseada de una manera óptima, con un retraso o sobreimpulso mínimo , controlando la salida de potencia del motor del vehículo. Los sistemas de control que incluyen algún tipo de detección de los resultados que intentan lograr hacen uso de la retroalimentación y pueden adaptarse a circunstancias variables hasta cierto punto. Los sistemas de control de bucle abierto no hacen uso de la retroalimentación y funcionan solo de formas preestablecidas.

Los controladores de circuito cerrado tienen las siguientes ventajas sobre los controladores de circuito abierto:

• Rechazo de perturbaciones (como colinas en el ejemplo de 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 parámetros.
• Rendimiento mejorado del seguimiento de referencias
• Mejora de la rectificación de fluctuaciones aleatorias ^[5]

En algunos sistemas, se utilizan simultáneamente el control de bucle cerrado y el de bucle abierto. En dichos sistemas, el control de bucle abierto se denomina " feedforward" y sirve para mejorar aún más el rendimiento del seguimiento de referencia.

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

Los sistemas de control lógico para maquinaria industrial y comercial se implementaron históricamente mediante relés eléctricos interconectados y temporizadores de levas 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 los PLC. ^[6]

Los controladores lógicos pueden responder a interruptores y sensores y pueden hacer que la maquinaria inicie y detenga varias operaciones mediante el uso de actuadores . Los controladores lógicos se utilizan para secuenciar operaciones mecánicas en muchas aplicaciones. Los ejemplos incluyen ascensores, 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 doblar 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, SFC ( diagramas de funciones secuenciales ) o listas de declaraciones . ^[7]

El control de encendido y apagado utiliza un controlador de retroalimentación que cambia abruptamente entre dos estados. Un termostato doméstico bimetálico simple puede describirse como un controlador de encendido y apagado. Cuando la temperatura en la habitación (PV) cae por debajo del punto de ajuste del usuario (SP), se enciende el calentador. Otro ejemplo es un interruptor de presión en un compresor de aire. Cuando la presión (PV) cae por debajo del punto de ajuste (SP), se activa el compresor. Los refrigeradores y las bombas de vacío contienen mecanismos similares. Los sistemas de control de encendido y apagado simples como estos pueden ser económicos y efectivos.

La lógica difusa es un intento de aplicar el diseño sencillo de controladores lógicos al control de sistemas complejos que varían continuamente. Básicamente, una medición en un sistema de lógica difusa puede ser parcialmente verdadera.

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

Las mediciones del mundo real (como la temperatura de un horno) se difuminan y la lógica se calcula aritméticamente, a diferencia de la lógica booleana , y las salidas se desdifuminan para controlar el equipo.

Cuando un diseño difuso robusto se reduce a un único cálculo rápido, comienza a parecerse 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 sistemas de control de gran tamaño en los que los métodos convencionales se vuelven difíciles de manejar o costosos de derivar. ^{[ cita requerida ]}

La electrónica difusa es una tecnología electrónica que utiliza lógica difusa en lugar de la lógica de dos valores más comúnmente utilizada en la electrónica digital .

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

Los sistemas lógicos y los controladores de retroalimentación suelen implementarse con controladores lógicos programables . El dispositivo de automatización ampliable y reconfigurable (BREAD) es un marco reciente que proporciona muchos dispositivos de hardware de código abierto que se pueden conectar para crear sistemas de adquisición y control de datos más complejos . ^[8]

Wikilibros tiene un libro sobre el tema: Sistemas de control

• SystemControl Crea, simula o crea bucles de control HWIL con Python. Incluye filtro Kalman, control LQG entre otros.
• Dirección de vuelo semiautónomo - Referencia unmannedaircraft.org
• Caja de herramientas del sistema de control para el 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) Cree y simule bucles de control con Python. IA para configurar parámetros PID.