Tipos de Sistemas de Control con Realimentación
Los sistemas de control con realimentación se pueden clasificar de diversas maneras. Por ejemplo:
- De acuerdo con el método de análisis y proyecto: Se clasifican en lineales, no lineales, variables en el tiempo e invariables en el tiempo.
- Según el tipo de señal que maneja el sistema: Se agrupan en señales de datos continuos y de datos discretos. A su vez, los de datos continuos pueden ser modulados y no modulados, mientras que los de datos discretos pueden ser muestreados o digitales.
- En relación con el tipo de componentes empleados en el diseño del sistema: Se pueden distinguir sistemas de control electromecánicos, hidráulicos, neumáticos, electrónicos, biológicos, etc.
- Si tenemos en cuenta la finalidad principal para la que fue implementado el sistema de control: Podemos enumerar sistemas de control de posición, de velocidad, de desplazamiento, de rotación, de temperatura, de caudal, etc.
Sistemas de Control Lineales en Comparación con los No Lineales
Estrictamente hablando, los sistemas lineales no existen en la práctica, ya que todos los sistemas físicos son en cierto grado no lineales. Los sistemas de control con realimentación lineales son modelos idealizados que construye el analista para simplificar el análisis y el proyecto.
Cuando los valores de las señales de un sistema de control provienen de componentes del sistema que presentan características lineales (es decir, se aplica el principio de superposición), el sistema es esencialmente lineal.
Pero cuando las magnitudes de las señales se extienden fuera de la gama del funcionamiento lineal, según sea la severidad de la no linealidad, el sistema ya no puede considerarse lineal.
Por ejemplo, los amplificadores usados en los sistemas de control presentan a menudo el efecto de saturación cuando sus señales de entrada se hacen grandes; el campo magnético de un motor eléctrico normal tiene propiedades de saturación. Otros efectos no lineales que se encuentran normalmente en los sistemas de control son el huelgo o juego entre elementos de engranajes acoplados, las características no lineales en muelles, las fuerzas o pares de rozamiento no lineales entre cuerpos móviles, etc.
Con bastante frecuencia, se introducen intencionadamente características no lineales en un sistema de control para mejorar su comportamiento o proporcionar un control más eficaz. Por ejemplo, para conseguir un control de tiempo mínimo, se usa un tipo de controlador todo o nada, como es el caso del control de posicionamiento de misiles y naves espaciales. Para ello, se montan cohetes en las partes laterales del vehículo para proporcionar un par de reacción para el control de posicionamiento. Estos cohetes a menudo están controlados para funcionamiento de conexión total o de desconexión total, de manera que se aplique una cantidad fija de aire a partir de un cohete dado durante cierto tiempo para controlar el posicionamiento del vehículo espacial.
Para sistemas lineales, existe una gran cantidad de técnicas analíticas y gráficas para el proyecto y análisis. Sin embargo, los sistemas no lineales son muy difíciles de tratar matemáticamente y no existen métodos generales que puedan usarse para resolver una amplia clase de sistemas no lineales.
Sistemas Invariantes en el Tiempo en Comparación con Sistemas Variantes en el Tiempo
Cuando los parámetros de un sistema de control son estacionarios respecto al tiempo durante el funcionamiento del sistema, tenemos un sistema invariante en el tiempo.
La mayoría de los sistemas físicos contienen elementos que derivan o varían con el tiempo en cierto grado. Si la variación del parámetro es significativa durante el período de operación, el sistema se denomina sistema variante con el tiempo. Aunque un sistema variante con el tiempo sin linealidad continúa siendo un sistema lineal, su análisis es mucho más complejo que el de los sistemas lineales invariantes con el tiempo.
Sistema de Control de Datos Continuos
Un sistema de datos continuos es aquel en el que las señales de las distintas partes del sistema son todas funciones de la variable de tiempo continuo t. Las señales de este tipo de sistemas se pueden clasificar como de ca o cc. Cuando nos referimos a un sistema de control de ca, normalmente significa que las señales del sistema están moduladas mediante un cierto esquema de modulación.
Por otra parte, cuando nos referimos a un sistema de control de cc, no significa que todas las señales del sistema sean del tipo corriente continua. Un sistema de control de cc implica simplemente que las señales no son moduladas, pero que continúa siendo ca por definición común.
En la figura 10 se muestra el diagrama esquemático de un sistema de control de cc, donde se puede ver las ondas típicas del sistema en respuesta a una entrada de tipo función escalón.
El detector de error está formado por dos potenciómetros y una fuente de tensión continua conectados en paralelo entre sí. Cuando la posición de los cursores respecto del extremo de las resistencias es la misma, entonces sus tensiones son iguales y la tensión de error es nula.
La entrada de referencia del sistema es el ángulo de rotación de un volante que mueve el cursor de uno de los potenciómetros, el cual se conecta en paralelo con una fuente de tensión continua y un segundo potenciómetro. Este último se encuentra unido mecánicamente al eje de un volante cuyo ángulo de rotación se desea controlar.
Cuando existe diferencia entre el ángulo de referencia y el ángulo de rotación del volante controlado, aparece una diferencia de potencial entre las salidas de ambos potenciómetros, que se convierte en la señal de error del sistema de control. Esta tensión ingresa a la entrada de un amplificador que eleva el nivel de la señal de error a un valor de tensión ef.
La tensión de salida del amplificador se aplica al bobinado de un motor de corriente continua, cuyo movimiento de rotación se transmite a través de un grupo de engranajes al volante controlado, logrando el movimiento necesario para que el ángulo de referencia sea igual al ángulo de la variable controlada.
Cuando esto sucede, las posiciones de los cursores de ambos potenciómetros son iguales y la tensión de error se hace igual a cero. Por lo tanto, no habrá corriente a través de la bobina del motor y no habrá rotación del mismo.
Observe que la tensión de error toma valores positivos y negativos durante el proceso de ajuste; esto se debe a que el volante rota un ángulo de control mayor al ángulo de referencia y este error negativo se aplica como tensión inversa en el bobinado del motor para lograr un sentido de rotación contrario al inicial.
De esta manera se logra la aproximación del ángulo controlado al ángulo de referencia.
Cabe destacar que la tensión de error, al tomar valores positivos y negativos, es una tensión alterna, pero el sistema de control sigue siendo de cc, porque la señal no tiene modulación.
En la figura 11 se grafica el diagrama esquemático de un sistema de control de ca clásico. En este caso, las señales del sistema están moduladas, es decir, la información se transmite mediante una señal portadora de ca.
En este sistema, el objetivo de control sigue siendo el mismo que el de la figura 10, es decir, el control del ángulo de rotación del volante a partir de la posición angular de un volante de referencia. También se dispone de un amplificador y de un motor eléctrico, solo que ahora ambos son de corriente alterna. En este caso, las señales moduladas son demoduladas por las características pasa-bajo del motor de control.
En la práctica, no todos los sistemas de control son estrictamente de ca o de cc. Un sistema puede incorporar una mezcla de componentes de ca y de cc, usando moduladores y demoduladores para comprobar las señales en distintos puntos del sistema.
Sistemas de Control de Datos Muestreados y Digitales
Los sistemas de control de datos muestreados y digitales difieren de los sistemas de datos continuos en que las señales se miden y procesan en instantes de tiempo discretos y no en forma continua, por lo que estas señales aparecen en forma de tren de impulsos o un código digital.
Los sistemas de datos muestreados hacen referencia a señales en forma de datos impulsionales, mientras que un sistema de control digital hace referencia al uso de un ordenador o un control digital en el sistema.
En general, un sistema de datos muestreados solo recibe información intermitentemente en forma de impulsos, en instantes específicos de tiempo. Por lo tanto, este sistema no recibe información sobre el error durante los períodos comprendidos entre dos impulsos consecutivos.
En la figura 12 se ilustra el funcionamiento de un típico sistema de datos muestreados. Se aplica al sistema una señal de referencia continua que se compara con la señal de salida del proceso controlado. El error resultante es muestreado por un sistema representado por un interruptor que abre y cierra alternativamente sus contactos, obteniéndose impulsos que se aplican y procesan en el siguiente bloque.
Control mediante relés:
En la figura 15 vemos el esquema eléctrico del circuito de control, donde se observa que la conexión en paralelo de los contactos S1 y SK1 se une en serie con S2 y la bobina del relé, y el conjunto se conecta a la línea de alimentación, a través de L y N.
Inicialmente, el tanque se encuentra vacío, por lo que los interruptores S1 y S2 se encuentran cerrados y la bobina K1 queda conectada a la alimentación; por ende, el relé se encuentra activo; sus contactos principales y SK1 cerrados y la bomba funciona llenando el tanque. Cuando el nivel del líquido llega a L, S1 se abre y la corriente sigue circulando por la bobina a través de SK1 y S2; por lo tanto, continúa el llenado del tanque.
Al llegar el agua al nivel H, se abre S2 cortando la circulación de corriente por la bobina; el relé se desactiva y se abren sus contactos principales, incluyendo SK1, por lo que la bomba deja de llenar el tanque. A continuación, el consumo hará que el agua descienda por debajo de H y S2 se cerrará, pero al permanecer abiertos S1 y SK1, por la bobina no circula corriente y continuará apagada la bomba.
Cuando el agua descienda por debajo del nivel L, el contacto S1 se cerrará y el sistema se encontrará como en la fase inicial, con el relé activado y el tanque en proceso de llenado.