Exercicis: Sensors, controladors i actuadors

Anomena els tres elements bàsics d'un sistema de control i explica què fa cadascun utilitzant l'exemple del termòstat d'una calefacció.

Classifica aquests components en sensors, actuadors i controlador: un sensor de llum (LDR), un motor, un brunzidor, una placa microcontroladora, un polsador i un servomotor. Justifica cada classificació amb el que fa el component.

La figura mostra la cadena d'un sistema de control, però falta el bloc central. Indica quin bloc és, què fa i escriu la cadena completa (amb exemples concrets de cada bloc) per a una porta automàtica de garatge.

Classifica aquests elements en sensors o actuadors i justifica cada decisió: micròfon, altaveu, càmera, bombeta, sensor de moviment i relé que encén un motor.

Explica què fa una placa microcontroladora dins d'un sistema de control utilitzant el símil del «cervell»: què li arriba, què en fa i què ordena.

Tria un sistema de control de casa teva (calefacció, llum d'escala automàtica, detector de fum amb avís...) i completa la seva cadena: sensor → controlador → actuador.

Quina diferència hi ha entre un sensor de temperatura i un termòstat complet? Explica quins elements li falten al primer per ser un sistema de control.

Un sistema de reg disposa d'un sensor d'humitat de la terra i una electrovàlvula. Quin element falta perquè funcioni de manera automàtica i quina regla senzilla executaria?

Un test intel·ligent rega la planta quan la terra està eixuta. Identifica el sensor, el controlador i l'actuador d'aquest sistema i explica quina informació passa d'un element a l'altre.

Un ventilador normal funciona fins que l'apagues, però un aire condicionat s'atura i s'engega sol per mantenir la temperatura. Explica quina diferència hi ha entre tots dos sistemes utilitzant la idea de realimentació: quin torna a mesurar el resultat de la seva actuació.

Un semàfor funciona amb temps fixos, passin cotxes o no. Té sensors aquest sistema de control? Quin sensor li afegiries per fer-lo «intel·ligent» i què milloraria amb aquest canvi?

Un robot seguidor de línia utilitza dos sensors d'infrarojos col·locats a banda i banda de la línia. Explica quina informació dóna cada sensor i com decideix la controladora si ha de girar a l'esquerra o a la dreta.

Explica la diferència entre un actuador «tot o res» (per exemple, un relé) i un de proporcional (per exemple, un servomotor), i posa un ús adequat per a cada tipus.

Un aparcament compta els cotxes amb un sensor a l'entrada i un altre a la sortida. Dissenya la lògica del controlador per saber quantes places queden lliures i què ha de mostrar el panell de l'entrada quan s'omple.

La figura mostra un sistema de control amb realimentació, amb el punt de comparació marcat amb ?. Explica quins dos valors es comparen en aquest punt, quin resultat s'obté i per a què l'utilitza el controlador.

Un termòstat mesura $2\ ^\circ\text{C}$ de més per estar descalibrat. Explica per què el controlador «creu» estar fent la seva feina perfectament mentre l'habitació queda més freda del desitjat, i quina conseqüència té per al manteniment dels sensors.

Analitza la cadena de control completa d'un pas de vianants amb botó: què detecta, què decideix i què actua a cada moment, i raona què passa si el sensor del botó falla i quin comportament segur hauria de tenir el sistema.

Dissenya un sistema que mantingui un hivernacle escolar entre $18\ ^\circ\text{C}$ i $25\ ^\circ\text{C}$: tria els sensors i els actuadors i descriu amb regles clares (si..., llavors...) les decisions del controlador.

Un company de classe afirma: «Per saber amb total seguretat si la porta d'un garatge ha arribat al final del seu recorregut en tancar-se, és molt millor utilitzar una fotoresistència (LDR) que un final de cursa mecànic, perquè en ser analògica ens dóna infinits valors i molta més informació que un simple sensor digital de tot o res».

1. a) Rebat tècnicament aquesta afirmació: explica dos problemes reals de funcionament o fiabilitat que provocaria la LDR en aquesta tasca enfront del final de cursa.
2. b) Justifica per què el sensor digital resulta superior en aquest cas específic tot i aportar menys dades.
3. c) Dissenya una funció a la mateixa porta automàtica on l'ús de la LDR sí que sigui l'opció adequada i el final de cursa resulti inútil.

Dissenya un pas de vianants intel·ligent que allargui el temps en verd si detecta que encara hi ha persones creuant a poc a poc. Indica sensors, regles de decisió i actuadors, i discuteix un risc o abús possible del sistema.

Un hivernacle disposa d'escalfador, ventilador i finestra motoritzada. Prioritza els tres actuadors per consum i seguretat i escriu les regles de decisió del controlador per a les lectures de $15\ ^\circ\text{C}$, $22\ ^\circ\text{C}$ i $30\ ^\circ\text{C}$.

Per refrigerar un armari de servidors es prova un control per llindar (tot o res): quan la temperatura supera els $25,0\ ^\circ\text{C}$, el ventilador s'encén al $100\ \%$; si baixa de $24,9\ ^\circ\text{C}$, s'apaga de cop.

1. a) Prediu les conseqüències negatives d'aquest sistema sobre la temperatura de la sala i sobre la vida útil del ventilador (efecte de commutació contínua i desgast mecànic).
2. b) Dissenya una alternativa de control proporcional lineal entre $20,0\ ^\circ\text{C}$ (ventilador al $0\ \%$) i $30,0\ ^\circ\text{C}$ (ventilador al $100\ \%$). Calcula a quin percentatge de potència funcionarà el ventilador si la temperatura se situa en $26,5\ ^\circ\text{C}$.
3. c) Justifica per què aquest control proporcional millora l'estabilitat tèrmica i l'eficiència enfront del control per llindar.

Analitza el sistema de control d'un semàfor amb càmeres que dona prioritat a l'autobús urbà: què detecta, què decideix i què actua en cada cas, i què hauria de passar si s'apropa una ambulància en emergència.

Un sensor de distància per ultrasons falla amb robes i amb superfícies en angle. Explica què implica això per a un robot que «confia» cegament en ell i proposa una solució de redundància (combinar sensors o comprovacions).