Ejercicios: Lazo abierto y lazo cerrado

Explica con tus palabras qué es un sistema de control en lazo abierto y qué es uno en lazo cerrado, y pon un ejemplo cotidiano de cada uno que no sea el termostato.

Define qué es la consigna (valor de referencia) de un sistema de control y escribe cuál es la consigna típica de estos tres sistemas: la calefacción de una casa, el control de crucero de un auto y el refrigerador.

La figura muestra el diagrama de bloques de un sistema en lazo cerrado, pero falta el nombre de la señal que vuelve del sensor al punto de comparación (marcada con «?»).

1. a) Indica cómo se llama esa señal.
2. b) Explica qué información lleva y para qué se usa.

Relaciona cada término con su definición: (a) consigna, (b) error, (c) realimentación, (d) salida. Definiciones: (1) valor que se desea mantener; (2) diferencia entre el valor deseado y el valor real; (3) información sobre el estado real que vuelve a la entrada; (4) magnitud que el sistema controla.

Clasifica estos sistemas en lazo abierto o lazo cerrado y justifica cada respuesta: (a) tostadora de pan con temporizador, (b) aire acondicionado, (c) semáforo de tiempos fijos, (d) control de crucero de un auto, (e) riego de jardín con programador horario.

Verdadero o falso, justificando la respuesta con un ejemplo: «un sistema en lazo abierto corrige solo los errores que comete».

Explica qué es el comparador de un sistema en lazo cerrado: qué dos valores recibe y qué resultado entrega al controlador.

Un horno de barro se calienta con una resistencia de potencia fija y no mide nada. Indica qué elementos le faltan para funcionar en lazo cerrado y explica qué haría cada uno.

Un termostato está ajustado a una consigna de $22\ ^\circ\text{C}$ y la habitación está a $19\ ^\circ\text{C}$. Calcula el error que mide el comparador y describe qué hace el sistema hasta que el error se hace cero.

En un tanque de agua, una boya flotante unida a una llave cierra la entrada de agua al llegar al nivel deseado. Identifica en ese sistema la consigna, el sensor, el comparador, el actuador y la variable controlada.

La figura muestra el lazo del control de crucero de un auto, con la consigna y la velocidad real indicadas. Calcula el error que falta, identifica qué elemento real hace de sensor y cuál de actuador, y explica qué orden dará el controlador.

Haz una tabla comparativa entre un ventilador de techo (lazo abierto) y un aire acondicionado (lazo cerrado) con dos ventajas y dos inconvenientes de cada uno, pensando en precisión, costo y consumo eléctrico.

Un riego por temporizador riega cada noche, llueva o no; otro sistema mide antes la humedad de la tierra. Indica qué lazo usa cada uno y explica dos problemas del primer sistema que el segundo evita.

Un lavavajillas ejecuta siempre el mismo programa, vaya lleno o medio lleno; una lavadora moderna pesa la ropa y ajusta el agua y el tiempo. Clasifica el lazo de cada aparato y razona qué ventajas aporta medir.

Una estufa eléctrica tiene tres posiciones de potencia y ningún sensor. Explica por qué trabaja en lazo abierto y describe dos cambios que la convertirían en un lazo cerrado.

Explica qué es una perturbación en un sistema de control e identifica la perturbación principal en estos lazos cerrados: (a) termostato con una ventana abierta en invierno, (b) control de crucero en una cuesta arriba, (c) llenado de un tanque con el desagüe abierto.

Observa el mecanismo de control de nivel de la figura. Se desea que el agua se estabilice a una altura mayor que la actual sin sustituir ninguna pieza.

1. a) Analiza el papel de la palanca pivotante (marcada con «?»): justifica cómo realiza físicamente la función de comparador entre la consigna y la medida real.
2. b) Diseña y justifica dos ajustes mecánicos posibles en el mecanismo (en la varilla, el flotador o el punto de apoyo) para elevar el nivel de llenado deseado.
3. c) Predice qué ocurrirá con el nivel de agua si el depósito sufre una fuga constante por el fondo menor que el caudal máximo de entrada (perturbación): ¿se vaciará, alcanzará exactamente el nivel deseado o se estabilizará ligeramente por debajo? Justifica la respuesta en términos de error y realimentación.

Un alumno de Tecnología afirma categóricamente: «Cualquier máquina o electrodoméstico funciona mejor si se diseña en lazo cerrado; el lazo abierto es un diseño obsoleto y deficiente».

1. a) Rebate su postura analizando dos dispositivos cotidianos: una tostadora de pan con temporizador y un semáforo de ciclo fijo. Explica qué sensores y actuadores necesitaría cada uno para convertirse en lazo cerrado y qué problemas técnicos o de confiabilidad surgirían al intentarlo.
2. b) Justifica, mediante al menos tres criterios objetivos de ingeniería (costo económico, complejidad y robustez ante fallos de sensores), por qué en muchas aplicaciones industriales y domésticas el lazo abierto sigue siendo la solución óptima y preferible.