Los sistemas de control

Explica qué es un sistema de control usando la puerta automática del supermercado: qué detecta, qué decide y qué hace, y por qué decimos que funciona «sin que nadie apriete un interruptor».

Todo sistema de control tiene tres partes: entradas, unidad de control y salidas. Explica qué hace cada una y pon un ejemplo de las tres en un ventilador con control remoto.

La figura muestra la cadena general de un sistema de control, con su eslabón central tapado.

Nombra el eslabón que falta, explica qué hace con la información que le llega de las entradas y describe un sistema de control completo de tu vida diaria identificando sus tres partes.

Indica qué magnitud mide cada uno de estos sensores de entrada: un sensor de movimiento, una LDR, un termómetro y un pulsador, y nombra un aparato de tu casa que use cada uno.

Indica qué hace cada uno de estos actuadores de salida: un motor, una ampolleta, un zumbador y el electroimán de una cerradura, y describe una situación en la que el mismo sistema necesite dos de ellos a la vez.

Compara una llave de agua que abres y cierras a mano con el termostato de la calefacción. Explica cuál de los dos comprueba el resultado de su actuación (si la casa ya está caliente) y qué significa que ese sistema «se corrige a sí mismo».

La figura muestra dos diagramas de bloques de sistemas de control, A y B. Solo uno de ellos devuelve información de la salida a la entrada. En el tipo B, el círculo es un punto que compara la entrada con lo que llega por el camino marcado con ?.

1. a) Indica cuál de los dos sistemas es de lazo abierto y cuál de lazo cerrado.

1. b) Nombra lo que viaja por el camino marcado con ?.

1. c) Da un ejemplo cotidiano de cada tipo de lazo.

Di si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justifica cada respuesta: (a) un semáforo que cambia solo por tiempo es un sistema de lazo cerrado; (b) la lavadora mide el agua y la temperatura, así que tiene realimentación; (c) en un lazo cerrado el sistema comprueba lo que ha conseguido; (d) un ventilador sin sensor corrige solo la temperatura de la pieza.

La figura muestra el diagrama de bloques del control de temperatura de una casa.

El elemento tapado compara lo que se quiere con lo que hay. Explica qué dos datos compara, qué orden envía a la caldera cuando la casa está a $19\celsius$ y cuándo está a $23\celsius$, y por qué este sistema es de lazo cerrado.

Un semáforo clásico cambia por tiempo, sin saber si hay autos esperando. Explica por qué es un sistema de lazo abierto, qué ocurre en un taco o de madrugada y qué sensores añadirías para acercarlo a un lazo cerrado, describiendo el cambio de comportamiento.

Clasifica estos cuatro aparatos en lazo abierto o lazo cerrado y justifica cada uno: una tostadora por tiempo, una plancha con termostato, un ventilador que enciende una persona y un aire acondicionado con temperatura fijada.

Un vehículo circula por autopista con el control de crucero fijado a 120 km/h.

1. a) Dibuja el diagrama de bloques del sistema identificando: consigna, señal de error, controlador, actuador, planta o proceso, magnitud de salida, sensor y camino de realimentación.
2. b) Analiza la respuesta del sistema cuando el auto enfrenta de forma imprevista una pendiente ascendente del 7 %: describe paso a paso cómo varía la magnitud medida, qué cálculo realiza el comparador y cómo reacciona el actuador para compensar la perturbación.
3. c) Desde el punto de vista de la seguridad de máquinas y sistemas de control crítico, justifica por qué cualquier presión sobre el pedal de freno debe interrumpir la consigna de forma instantánea por interrupción física directa y no mediante una comprobación rutinaria del programa del microcontrolador.

Analiza la lavadora como sistema de control: cita dos entradas (nivel de agua, temperatura, tiempo), la unidad de control (su programa) y dos salidas (motor del tambor, resistencia, electroválvula). Razona por qué es un sistema de lazo cerrado aunque no la veas «pensar».

Dibuja (describiendo bloque a bloque) el diagrama de un portón de garaje automático: qué entrada lo activa (control remoto o sensor), qué hace la unidad de control, qué salida mueve el portón y qué sensor de seguridad evita que cierre si hay algo debajo. ¿Es lazo abierto o cerrado en cada una de sus dos funciones?

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Reto del tema. Cuando regulas la temperatura de la ducha, tú mismo funcionas como un lazo de control. Analiza ese proceso y responde:

1. a) Identifica el sensor: qué parte de tu cuerpo detecta la temperatura del agua.

1. b) Identifica la consigna: qué valor o referencia quieres conseguir.

1. c) Identifica el actuador: qué parte de tu cuerpo modifica el agua que sale.

1. d) Identifica la realimentación: qué haces después de actuar para comprobar el resultado y decidir si debes corregir otra vez.

1. e) Explica qué pasa cuando alguien abre otra llave de la casa mientras te duchas (por ejemplo, cambia la temperatura o el caudal del agua) y cómo reacciona el lazo de control para corregirlo.

Se valorará: que identifiques correctamente cada elemento del lazo, que lo relaciones con la ducha y que, en el apartado e), expliques la perturbación y la corrección que haces.

En un timbre de casa, el pulsador y la campana hacen papeles distintos. Clasifica cada uno como entrada o salida, explica por qué el timbre no es un sistema con realimentación y qué lo convertiría en uno (por ejemplo, una luz que le confirma al visitante que ha sonado).

Los automatismos aportan seguridad, comodidad y ahorro. Pon un ejemplo real de cada ventaja (una barrera que se abre sola, la luz de la escalera automática, el riego por goteo programado) y explica en uno de ellos qué ocurriría si el sistema fallara en el peor momento.

Un agricultor afirma: «Programé un temporizador para que los aspersores rieguen todos los días a las 7:00 durante 20 minutos; como funciona de forma autónoma sin que yo intervenga, es un sistema automático de lazo cerrado perfecto».

1. a) Rebate su afirmación explicando por qué su sistema es en realidad de lazo abierto y qué dos problemas graves de eficiencia hídrica o salud vegetal provocará a lo largo del año.
2. b) Rediseña el sistema para convertirlo en un sistema de lazo cerrado: dibuja el diagrama de bloques identificando claramente la consigna, la señal medida, el sensor necesario, el controlador, el actuador y el proceso.
3. c) Predice y justifica cómo reaccionará cada uno de los dos sistemas si cae una tormenta imprevista de 30 l/m² justo a las 6:55.

En un edificio de departamentos, la iluminación de la escalera se controla mediante un temporizador: al pulsar un botón en cualquier piso, las luces permanecen encendidas exactamente 90 segundos.

1. a) Justifica desde la teoría de sistemas de control por qué este temporizador actúa en lazo abierto y por qué resulta ineficiente ante situaciones reales opuestas (una persona que tarda 3 minutos en subir con bolsas pesadas frente a otra que baja en 15 segundos).
2. b) Diseña una solución con realimentación que resuelva ambos problemas. Especifica qué sensor o combinación de sensores usarías, en qué ubicaciones estratégicas los pondrías para evitar «zonas ciegas» y cuál sería la lógica de apagado.
3. c) Predice qué falla podría tener tu diseño si una persona permanece totalmente inmóvil en el descanso de la escalera buscando las llaves a oscuras, y propón cómo programarías el controlador para evitar que se quede sin luz.

El folleto comercial de un cronotermostato digital afirma: «Reemplaza tu antiguo termostato analógico de ruleta por este modelo programable: al incorporar programación horaria y semanal, tu caldera pasará de ser un sistema de lazo abierto a uno de lazo cerrado, logrando hasta un 30 % de ahorro».

1. a) Evalúa críticamente la afirmación técnica del folleto: ¿es cierto que un termostato clásico de ruleta funciona en lazo abierto? Justifica si el cambio de aparato modifica la topología del lazo o si únicamente añade nuevas variables a la consigna.
2. b) Dibuja el diagrama de bloques del sistema con cronotermostato, indicando todas las entradas que procesa la unidad de control (físicas y de programación), el comparador, el actuador y la realimentación.
3. c) Justifica detalladamente mediante qué mecanismo de control el cronotermostato logra reducir el consumo energético durante una jornada en la que la vivienda permanece vacía de 8:00 a 17:00.

En una avenida se ha instalado un semáforo peatonal con pulsador. Un estudiante de Tecnología sostiene: «Como el semáforo tiene un pulsador por el que recibe información del entorno para cambiar a rojo, se trata de un sistema de lazo cerrado».

1. a) Rebate de forma justificada la afirmación del estudiante: explica la diferencia fundamental entre una «señal externa de activación» y una «señal de realimentación» en este cruce.
2. b) Dibuja el diagrama de bloques del semáforo actual identificando la entrada, el controlador y las salidas (tanto luminosas como acústicas).
3. c) Diseña una modificación técnica que transforme el cruce en un auténtico sistema de lazo cerrado capaz de adaptar la duración de la fase verde peatonal a la velocidad real de las personas que están cruzando (por ejemplo, adultos mayores o personas en silla de ruedas). ¿Qué sensor añadirías, qué mediría y cómo variaría la temporización?

Te encargan el diseño lógico del sistema de control que regula un cruce entre dos calles perpendiculares (calle A y calle B), cada una con su semáforo.

1. a) Modela el cruce como un único sistema de control multivariable: explica por qué no es admisible programar dos semáforos independientes con temporizadores desacoplados y qué condición lógica de bloqueo mutuo debe imponerse entre las salidas.
2. b) Supón que un sensor de corriente detecta que la ampolleta roja de la calle A se ha quemado. Analiza el riesgo que esto supone e indica qué protocolo inmediato debe ejecutar la unidad de control en ambas calles.
3. c) Justifica técnicamente si ante una falla grave de la unidad de control es más seguro que el circuito de hardware conmute a amarillo intermitente en todas las direcciones o a rojo fijo en todas las direcciones, teniendo en cuenta la fluidez del tráfico y la Ley de Tránsito.

Un artículo de divulgación afirma: «Cualquier dispositivo automático opera mediante lazo cerrado, ya que realiza su trabajo de manera autónoma sin que una persona intervenga en cada ciclo».

1. a) Demuestra la falsedad de esa afirmación proponiendo dos ejemplos de automatismos cotidianos: uno que trabaje en lazo abierto y otro en lazo cerrado. Justifica detalladamente la clasificación de cada uno a partir de la presencia o ausencia de realimentación.
2. b) Para el sistema de lazo abierto que has propuesto, describe una perturbación externa concreta que provoque un funcionamiento defectuoso o un desperdicio de energía.
3. c) Diseña las modificaciones necesarias (sensores, magnitud física a medir y nueva lógica de decisión) para transformar ese sistema de lazo abierto en uno de lazo cerrado capaz de corregir dicha perturbación.

Debes diseñar el sistema de control bioclimático de un invernadero tecnificado donde se cultivan plantas sensibles. El recinto requiere mantener una temperatura de entre 20 °C y 24 °C y una humedad relativa entre el 60 % y el 70 %.

1. a) Identifica los sensores necesarios y los actuadores que debes instalar para intervenir sobre el aire y la ventilación del recinto.
2. b) Durante un mediodía caluroso y muy seco de verano, la temperatura sube a 31 °C y la humedad cae al 45 %. Explica el conflicto operativo que surge si el bucle de temperatura y el bucle de humedad actúan de forma desacoplada y simultánea.
3. c) Diseña la estrategia de control (mediante un diagrama de flujo o pseudocódigo con condiciones de prioridad) que debe ejecutar el microcontrolador para resolver este conflicto, garantizando la supervivencia de las plantas.