Els sistemes de control

Explica què és un sistema de control utilitzant la porta automàtica del supermercat: què detecta, què decideix i què fa, i per què diem que funciona «sense que ningú toqui cap interruptor».

Tot sistema de control té tres parts: entrades, unitat de control i sortides. Explica què fa cadascuna i posa un exemple de totes tres en un ventilador amb comandament a distància.

La figura mostra la cadena general d'un sistema de control, amb el seu element central tapat.

Nomena l'element que falta, explica què fa amb la informació que li arriba de les entrades i descriu un sistema de control complet de la teva vida diària identificant-ne les tres parts.

Indica quina magnitud mesura cadascun d'aquests sensors d'entrada: un sensor de moviment, una LDR, un termòmetre i un polsador, i anomena un aparell de casa teva que utilitzi cadascun.

Indica què fa cadascun d'aquests actuadors de sortida: un motor, una bombeta, un brunzidor i l'electroimant d'un pany, i descriu una situació en què el mateix sistema necessiti dos d'ells alhora.

Compara una aixeta que obres i tanques a mà amb el termòstat de la calefacció. Explica quin dels dos comprova el resultat de la seva actuació (si la casa ja està calenta) i què significa que aquest sistema «es corregeix a si mateix».

La figura mostra dos diagrames de blocs de sistemes de control, A i B. Només un d'ells retorna informació de la sortida a l'entrada. En el tipus B, el cercle és un punt que compara l'entrada amb el que arriba pel camí marcat amb ?.

1. a) Digues quin dels dos sistemes és de llaç obert i quin de llaç tancat.

1. b) Anomena el que viatja pel camí marcat amb ?.

1. c) Posa un exemple quotidià de cada tipus de llaç.

Digues si són vertaderes o falses aquestes afirmacions i justifica cada resposta: (a) un semàfor que canvia només per temps és un sistema de llaç obert; (b) la rentadora mesura l'aigua i la temperatura, així que té realimentació; (c) en un llaç tancat el sistema comprova el que ha aconseguit; (d) un ventilador sense sensor corregeix sol la temperatura de l'habitació.

La figura mostra el diagrama de blocs del control de temperatura d'una casa.

L'element tapat compara el que es vol amb el que hi ha. Explica quines dues dades compara, quina ordre envia a la caldera quan la casa està a $19\celsius$ i quan està a $23\celsius$, i per què aquest sistema és de llaç tancat.

Un semàfor clàssic canvia per temps, sense saber si hi ha cotxes esperant. Explica per què és un sistema de llaç obert, què passa en un embús o de matinada i quins sensors afegiries per apropar-lo a un llaç tancat, descrivint el canvi de comportament.

Classifica aquests quatre aparells en llaç obert o llaç tancat i justifica cadascun: una torradora per temps, una planxa amb termòstat, un ventilador que encén una persona i un aire condicionat amb temperatura fixada.

Analitza la rentadora com a sistema de control: cita dues entrades (nivell d'aigua, temperatura, temps), la unitat de control (el seu programa) i dues sortides (motor del tambor, resistència, electrovàlvula). Raona per què és un sistema de llaç tancat encara que no la vegis «pensar».

Dibuixa (descrivint bloc a bloc) l'esquema d'una porta de garatge automàtica: quina entrada l'activa (comandament o sensor), què fa la unitat de control, quina sortida mou la porta i quin sensor de seguretat evita que tanqui si hi ha alguna cosa a sota. És llaç obert o tancat en cadascuna de les seves dues funcions?

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

Repte del tema. Quan regules la temperatura de la dutxa, tu mateix funciones com un llaç de control. Analitza aquest procés i respon:

1. a) Identifica el sensor: quina part del teu cos detecta la temperatura de l'aigua.

1. b) Identifica la consigna: quin valor o referència vols aconseguir.

1. c) Identifica l'actuador: quina part del teu cos modifica l'aigua que surt.

1. d) Identifica la realimentació: què fas després d'actuar per comprovar el resultat i decidir si has de corregir una altra vegada.

1. e) Explica què passa quan algú obre una altra aixeta de la casa mentre et dutxes (per exemple, canvia la temperatura o el cabal de l'aigua) i com reacciona el llaç de control per corregir-ho.

Es valorarà: que identifiquis correctament cada element del llaç, que el relacionis amb la dutxa i que, a l'apartat e), expliquis la pertorbació i la correcció que fas.

En un timbre de casa, el polsador i la campana fan papers diferents. Classifica cadascun com a entrada o sortida, explica per què el timbre no és un sistema amb realimentació i què el convertiria en un (per exemple, un llum que confirma al visitant que ha sonat).

Els automatismes aporten seguretat, comoditat i estalvi. Posa un exemple real de cada avantatge (una barrera que s'obre sola, el llum d'escala automàtic, el reg per degoteig programat) i explica en un d'ells què passaria si el sistema fallés en el pitjor moment.

Un agricultor afirma: «He programat un temporitzador perquè els aspersors reguin cada dia a les 7:00 durant 20 minuts; com que funciona de manera autònoma sense que jo hi intervingui, és un sistema automàtic de llaç tancat perfecte».

1. a) Rebat la seva afirmació explicant per què el seu sistema és en realitat de llaç obert i quins dos problemes greus d'eficiència hídrica o salut vegetal provocarà al llarg de l'any.
2. b) Redissenya el sistema per convertir-lo en un sistema de llaç tancat: dibuixa el diagrama de blocs identificant clarament la consigna, el senyal mesurat, el sensor necessari, el controlador, l'actuador i el procés.
3. c) Prediu i justifica com reaccionarà cadascun dels dos sistemes si cau una tempesta imprevista de 30 l/m² just a les 6:55.

En una comunitat de veïns, la il·luminació de l'escala es controla mitjançant un temporitzador d'escala: en prémer un botó a qualsevol planta, els llums romanen encesos exactament 90 segons.

1. a) Justifica des de la teoria de sistemes de control per què aquest temporitzador actua en llaç obert i per què resulta ineficient davant de situacions reals oposades (un veí que triga 3 minuts a pujar amb bosses pesades enfront d'un altre que baixa en 15 segons).
2. b) Dissenya una solució amb realimentació que resolgui tots dos problemes. Especifica quin sensor o combinació de sensors faries servir, en quines ubicacions estratègiques els col·locaries per evitar «zones cegues» i quina seria la lògica d'apagada.
3. c) Prediu quin error podria experimentar el teu disseny si una persona roman totalment immòbil al replà buscant les claus a les fosques, i proposa com programaries el controlador per evitar que es quedi sense llum.

El fullet comercial d'un cronotermòstat digital afirma: «Substitueixi el seu antic termòstat analògic de rodeta per aquest model programable: en incorporar programació horària i setmanal, la seva caldera passarà de ser un sistema de llaç obert a un de llaç tancat, assolint fins a un 30 % d'estalvi».

1. a) Avalua críticament l'afirmació tècnica del fullet: és cert que un termòstat clàssic de rodeta funciona en llaç obert? Justifica si el canvi d'aparell modifica la topologia del llaç o si únicament afegeix noves variables a la consigna.
2. b) Dibuixa el diagrama de blocs del sistema amb cronotermòstat, indicant totes les entrades que processa la unitat de control (físiques i de programació), el comparador, l'actuador i la realimentació.
3. c) Justifica detalladament mitjançant quin mecanisme de control el cronotermòstat aconsegueix reduir el consum energètic durant una jornada en què l'habitatge roman buit de 8:00 a 17:00.

En una avinguda s'ha instal·lat un semàfor per a vianants amb polsador. Un estudiant de Tecnologia sosté: «Com que el semàfor té un polsador pel qual rep informació de l'entorn per canviar a vermell, es tracta d'un sistema de llaç tancat».

1. a) Rebat de manera justificada l'afirmació de l'estudiant: explica la diferència fonamental entre un «senyal extern d'activació» i un «senyal de realimentació» en aquesta cruïlla.
2. b) Dibuixa el diagrama de blocs del semàfor actual identificant l'entrada, el controlador i les sortides (tant lluminoses com acústiques).
3. c) Dissenya una modificació tècnica que transformi la cruïlla en un autèntic sistema de llaç tancat capaç d'adaptar la durada de la fase verda de vianants a la velocitat real de les persones que estan creuant (per exemple, gent gran o persones en cadira de rodes). Quin sensor hi afegiries, què mesuraria i com variaria la temporització?

T'encarreguen el disseny lògic del sistema de control que regula una cruïlla entre dos carrers perpendiculars (carrer A i carrer B), cadascun amb el seu semàfor.

1. a) Modela la cruïlla com un únic sistema de control multivariable: explica per què no és admissible programar dos semàfors independents amb temporitzadors desacoblats i quina condició lògica de bloqueig mutu s'ha d'imposar entre les sortides.
2. b) Suposa que un sensor de corrent detecta que el llum vermell del carrer A s'ha fos. Analitza el risc que això suposa i indica quin protocol immediat ha d'executar la unitat de control a tots dos carrers.
3. c) Justifica tècnicament si davant d'una fallada greu de la unitat de control és més segur que el circuit de maquinari commuti a ambre intermitent en totes les direccions o a vermell fix en totes les direccions, tenint en compte la fluïdesa del trànsit i el codi de circulació.

Un article de divulgació afirma: «Qualsevol dispositiu automàtic opera mitjançant llaç tancat, ja que fa la seva feina de manera autònoma sense que una persona intervingui en cada cicle».

1. a) Demostra la falsedat d'aquesta afirmació proposant dos exemples d'automatismes quotidians: un que treballi en llaç obert i un altre en llaç tancat. Justifica detalladament la classificació de cadascun a partir de la presència o absència de realimentació.
2. b) Per al sistema de llaç obert que has proposat, descriu una pertorbació externa concreta que provoqui un funcionament defectuós o un malbaratament d'energia.
3. c) Dissenya les modificacions necessàries (sensors, magnitud física a mesurar i nova lògica de decisió) per transformar aquest sistema de llaç obert en un de llaç tancat capaç de corregir aquesta pertorbació.

Has de dissenyar el sistema de control bioclimàtic d'un hivernacle tecnificat on es conreen plantes sensibles. El recinte requereix mantenir una temperatura d'entre 20 °C i 24 °C i una humitat relativa entre el 60 % i el 70 %.

1. a) Identifica els sensors necessaris i els actuadors que has d'instal·lar per intervenir sobre l'aire i la ventilació del recinte.
2. b) Durant un migdia calorós i molt sec d'estiu, la temperatura puja a 31 °C i la humitat cau al 45 %. Explica el conflicte operatiu que sorgeix si el bucle de temperatura i el bucle d'humitat actuen de manera desacoblada i simultània.
3. c) Dissenya l'estratègia de control (mitjançant un diagrama de flux o pseudocodi amb condicions de prioritat) que ha d'executar el microcontrolador per resoldre aquest conflicte, garantint la supervivència de les plantes.

Un vehicle circula per autovia amb el control de creuer fixat a 120 km/h.

1. a) Dibuixa el diagrama de blocs del sistema identificant: consigna, senyal d'error, controlador, actuador, planta o procés, magnitud de sortida, sensor i camí de realimentació.
2. b) Analitza la resposta del sistema quan el cotxe afronta de manera imprevista un pendent ascendent del 7 %: descriu pas a pas com varia la magnitud mesurada, quin càlcul realitza el comparador i com reacciona l'actuador per compensar la pertorbació.
3. c) Des del punt de vista de la seguretat de màquines i sistemes de control crític, justifica per què qualsevol pressió sobre el pedal de fre ha d'interrompre la consigna de manera instantània per interrupció física directa i no mitjançant una comprovació rutinària del programa del microcontrolador.