Lazo abierto y lazo cerrado

Explica qué es un sistema automático y nombra sus cuatro elementos básicos (entrada o referencia, controlador, actuador y salida o proceso), indicando qué hace cada uno en un ejemplo concreto.

Explica qué es la consigna o referencia (en inglés, setpoint) de un sistema de control y pon dos ejemplos: uno en el termostato de una casa y otro en el control de crucero de un carro.

¿Qué es una perturbación en un sistema automático? Describe dos perturbaciones concretas: una para la calefacción de una casa (por ejemplo, abrir la ventana) y otra para el control de crucero de un carro (una subida).

Indica qué sensor usarías para medir cada magnitud en un sistema automático y qué señal entrega al controlador: la temperatura de una sala, la luz ambiente de una calle y la posición de abierta o cerrada de una puerta.

Explica qué es un sistema de control en lazo abierto y pon dos ejemplos de aparatos cotidianos que funcionen así (tostadora, ventilador sin termostato, riego por temporizador...), justificando por qué se consideran de lazo abierto.

Clasifica estos sistemas en lazo abierto o lazo cerrado, justificando tu decisión: (a) un lavaplatos que ejecuta su programa por tiempos y (b) un aire acondicionado que mantiene la temperatura del salón.

Clasifica estos sistemas en lazo abierto o lazo cerrado, justificando cada decisión: (a) un semáforo que cambia por tiempos fijos, (b) el piloto automático de velocidad de un carro, (c) un riego de jardín programado por horas y (d) el compresor de una nevera, que se conecta y desconecta solo.

Un equipo técnico propone sustituir el programador horario de los aspersores de un parque municipal y el temporizador electromecánico de una tostadora doméstica por sistemas en lazo cerrado con sensores continuos de humedad y temperatura superficial. Su justificación es: «Cualquier sistema en lazo cerrado es intrínsecamente superior a uno en lazo abierto, por lo que siempre vale la pena implementarlo».

1. a) Rebate este argumento analizando qué criterios técnicos, económicos y de fiabilidad (probabilidad de falla del sensor en ambientes agresivos, complejidad de calibración, costo de mantenimiento frente a la tolerancia del proceso) desaconsejan el lazo cerrado en estos casos.
2. b) Plantea una perturbación exterior severa para cada uno de los dos casos que sí justificaría técnicamente dar el salto a un control con realimentación.

Explica qué es un sistema de control en lazo cerrado y qué significa que tiene «realimentación». Pon un ejemplo cotidiano (por ejemplo, el aire acondicionado con termostato) e identifica en él el sensor y la magnitud que se realimenta.

En un lazo cerrado, el «error» es la diferencia entre la referencia y la medida del sensor. Explica qué intenta hacer el controlador con ese error y qué ocurre cuando el error llega a cero.

La figura compara los dos tipos de lazo: arriba, el esquema sin realimentación; abajo, el esquema con realimentación, donde un elemento de la cadena de retorno está tapado con un signo de interrogación, como se muestra en la figura.

Indica qué elemento falta en la cadena de retorno del segundo esquema, explica qué mide y qué hace el comparador (el círculo con + y −) con su señal, y razona qué ventaja tiene este lazo frente al primero.

Un carro con control de velocidad automático (crucero) empieza a subir una cuesta. Explica paso a paso cómo reacciona el sistema en lazo cerrado (qué detecta, qué compara, qué ordena) y describe qué le ocurriría en cambio a un hipotético sistema en lazo abierto que mantuviera fija la posición del acelerador.

En los sistemas de control, la realimentación es negativa: la medida se resta de la referencia. Explica qué ocurriría si se sumara en lugar de restarse (realimentación positiva), razonando cómo crecería la salida sin control, y pon un ejemplo cotidiano de realimentación positiva (el acople de un micrófono con un parlante).

Al ducharte ajustas la llave con la mano hasta que el agua sale a tu gusto. Identifica en ese «sistema» la referencia (la temperatura deseada), el sensor (tu piel), el comparador y controlador (tú), el actuador (la llave mezcladora) y una posible perturbación (alguien abre otra llave de la casa). Razona por qué es un verdadero lazo cerrado aunque no haya electrónica por medio.

Un ventilador de techo se enciende y regula su velocidad con un control manual. Describe su diagrama de bloques, razona si es un lazo abierto o cerrado y explica qué elementos habría que añadir para convertirlo en un lazo cerrado que mantenga la temperatura del cuarto.

Un riego de jardín en lazo abierto funciona por temporizador y hoy ha llovido. Analiza qué ha fallado conceptualmente (el sistema no conoce el estado real del proceso) y explica cómo un sensor de humedad del suelo cerraría el lazo: qué mediría, con qué lo compararía el controlador y qué ordenaría a la electroválvula.

En una vivienda con calefacción por caldera y termostato digital configurado a una consigna de $21{,}0\ ^\circ\text{C}$, se registra durante una tarde de invierno que la temperatura real de la habitación sube sin parar hasta alcanzar los $27{,}5\ ^\circ\text{C}$ mientras la caldera sigue encendida a plena potencia. En la pantalla del termostato, sin embargo, se observa una lectura fija y bloqueada de $12{,}0\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Identifica los elementos del bucle de control (señal de referencia, comparador, señal de error, controlador, actuador, proceso y sensor realimentado) e interpreta analíticamente por qué la caldera no se apaga a pesar del calor excesivo.
2. b) Justifica si ante este fallo el sistema ha pasado a comportarse como un lazo abierto o si sigue siendo un lazo cerrado operando de forma anómala. Predice qué ocurrirá en el sistema si no interviene un usuario.

Se necesita diseñar el sistema de climatización automatizado de un invernadero para que la temperatura interior permanezca en el rango óptimo de $[18{,}0\ ^\circ\text{C},\ 24{,}0\ ^\circ\text{C}]$. Cuentas con una sonda de temperatura, un calefactor eléctrico y un sistema de apertura motorizada de ventanas cenitales acoplado a un extractor de aire.

1. a) Dibuja el diagrama de bloques detallado del sistema en lazo cerrado, identificando explícitamente: señal de consigna, comparador, controlador, actuadores, planta o proceso, perturbaciones exteriores (como la radiación solar o el viento frío) y variable realimentada.
2. b) Diseña la lógica de control definiendo tres bandas de funcionamiento (temperatura baja, adecuada y excesiva). Justifica por qué es imprescindible prever una banda muerta entre la desconexión de la calefacción y la apertura de las ventanas para evitar el deterioro de los actuadores y el derroche energético.

La nevera regula con control todo-nada: el compresor se enciende o se apaga, sin potencias intermedias. Explica por qué la temperatura interior oscila ligeramente alrededor de la consigna y qué es la histéresis o banda muerta (el margen entre la temperatura de encendido y la de apagado), indicando para qué sirve (evitar arranques continuos del compresor).

Una instalación de calefacción por piso radiante presenta un retardo de transporte y una inercia térmica notables: el calor tarda unos $45$ minutos en difundirse a través de la placa de concreto hasta el ambiente. En una vivienda regulada por un termostato convencional todo/nada fijado en $20{,}0\ ^\circ\text{C}$, se observa que cuando la temperatura desciende a $19{,}5\ ^\circ\text{C}$ la caldera entra en funcionamiento, pero la habitación sigue enfriándose hasta los $18{,}0\ ^\circ\text{C}$; después, tras alcanzar de nuevo los $20{,}0\ ^\circ\text{C}$ y apagarse la caldera, el ambiente sigue calentándose por inercia hasta alcanzar $23{,}5\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Dibuja una gráfica cualitativa temperatura-tiempo donde representes este comportamiento, identificando la consigna, el sobreimpulso (overshoot) y el retardo. Explica físicamente por qué una gran inercia provoca estas oscilaciones continuas en un control todo/nada.
2. b) Justifica y describe dos soluciones técnicas de control (como el control modulante con previsión climática por sonda exterior o algoritmos con cálculo de inercia) que permitan estabilizar la temperatura sin provocar sobreoscilaciones.

La señal analógica enviada por una termorresistencia PT100 instalada junto a un variador de frecuencia sufre interferencias electromagnéticas de alta frecuencia. El controlador del sistema, configurado con un punto de ajuste de $60{,}0\ ^\circ\text{C}$, recibe una secuencia de lecturas consecutivas tomadas cada segundo: $59{,}2\ ^\circ\text{C}$, $60{,}5\ ^\circ\text{C}$, $58{,}7\ ^\circ\text{C}$, $61{,}1\ ^\circ\text{C}$, $59{,}4\ ^\circ\text{C}$, $60{,}8\ ^\circ\text{C}$, aunque la temperatura real del fluido se mantiene estabilizada en $59{,}9\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Deduce el comportamiento que experimentará un actuador todo/nada (un relé que comanda una electroválvula de refrigeración) conectado a un comparador directo sin acondicionamiento de señal. Justifica los efectos electromecánicos y el impacto en la vida útil de los componentes.
2. b) Diseña y justifica dos modificaciones técnicas complementarias para solucionar el problema: una a nivel de software/acondicionamiento en la señal del sensor y otra a nivel de la lógica del comparador (implementación de histéresis o banda muerta), determinando el ancho que darías a dicha banda.

En un depósito industrial de agua de $10\ \text{m}^3$ de capacidad, se debe mantener de forma continua el volumen en $8{,}0\ \text{m}^3$. El agua entra impulsada por una bomba de caudal variable y se vacía de forma aleatoria por la demanda de una línea de producción (perturbación).

1. a) Dibuja el diagrama de bloques del lazo cerrado identificando con precisión: consigna, señal de error, comparador, controlador, actuador, proceso, perturbación, variable controlada y sensor.
2. b) Durante una inspección se detecta que el sensor de nivel se ha quedado bloqueado mecánicamente transmitiendo una señal equivalente fija de $2{,}0\ \text{m}^3$. Deduce analíticamente el signo del error que calcula el comparador y predice la respuesta del sistema y las consecuencias físicas en la instalación.
3. c) Diseña una solución redundante de seguridad (activa o pasiva) para proteger la instalación frente a este modo de fallo específico sin detener el proceso productivo.

Un automóvil circula por autopista a $120{,}0\ \text{km/h}$ con el control de crucero adaptativo (ACC) activado. Al alcanzar a un camión que circula a $90{,}0\ \text{km/h}$, el sistema frena de manera automática y se sitúa tras él a la distancia de seguridad programada ($50{,}0\ \text{m}$). Minutos después, el camión cambia de carril y deja la vía completamente despejada.

1. a) Modela el funcionamiento del sistema mediante un diagrama que integre los dos lazos de control acoplados (el lazo de velocidad y el lazo de distancia de seguridad). Identifica qué señal actúa como restricción jerárquica cuando entran en conflicto y justifica por qué no pueden operar como lazos independientes desacoplados.
2. b) Analiza la transición del actuador (acelerador/freno) en el instante en que el camión despeja el carril: predice la evolución temporal del error de velocidad, la respuesta del controlador y evalúa qué problema de confort o adherencia podría surgir si la ganancia del lazo cerrado fuese excesivamente elevada.

Un cruce regulado por semáforos entre una avenida principal y una calle secundaria funciona con un ciclo de tiempos fijos de $90$ segundos ($60$ s en verde para la avenida y $30$ s para la secundaria). Durante la noche, se generan retenciones innecesarias en la avenida con el semáforo en rojo cuando la secundaria está desierta. La alcaldía proyecta modernizar la intersección implementando un control en lazo cerrado adaptativo con espiras de inducción electromagnética bajo el asfalto.

1. a) Elabora el diagrama de bloques del nuevo sistema de control adaptativo, especificando la consigna (tiempos mínimos y máximos de espera), las perturbaciones externas, la variable de salida medida y la lógica que rige al controlador.
2. b) Evalúa el comportamiento del sistema ante un fallo en el que una espira de la calle secundaria se corta debido a una grieta en el pavimento, quedando en estado de circuito abierto permanente (señal interpretada como «ningún vehículo en espera»). Predice las consecuencias para el tráfico y diseña un protocolo de seguridad fail-safe (a prueba de fallos) que deba ejecutar automáticamente el autómata semafórico.