Ejercicios: Los sistemas de control

Explique 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 le dé a un interruptor».

Todo sistema de control tiene tres partes: entradas, unidad de control y salidas. Explique qué hace cada una y ponga 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.

Nombre el eslabón que falta, explique qué hace con la información que le llega de las entradas y describa un sistema de control completo de su vida diaria identificando sus tres partes.

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

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

Compare una llave de agua que usted abre y cierra a mano con el termostato de la calefacción. Explique 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) Diga cuál de los dos sistemas es de lazo abierto y cuál de lazo cerrado.

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

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

Diga si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justifique 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 del cuarto.

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. Explique 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.

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

Un semáforo clásico cambia por tiempo, sin saber si hay carros esperando. Explique por qué es un sistema de lazo abierto, qué ocurre en una presa o de madrugada y qué sensores añadiría para acercarlo a un lazo cerrado, describiendo el cambio de comportamiento.

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

Dibuje (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?

Puede hacerlo en papel y enviar una foto con su respuesta.

Reto del tema. Cuando usted regula la temperatura de la ducha, usted mismo funciona como un lazo de control. Analice ese proceso y responda:

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

1. b) Identifique la consigna: qué valor o referencia quiere conseguir.

1. c) Identifique el actuador: qué parte de su cuerpo modifica el agua que sale.

1. d) Identifique la realimentación: qué hace usted después de actuar para comprobar el resultado y decidir si debe corregir otra vez.

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

Se valorará: que identifique correctamente cada elemento del lazo, que lo relacione con la ducha y que, en el apartado e), explique la perturbación y la corrección que hace.

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

Los automatismos aportan seguridad, comodidad y ahorro. Ponga un ejemplo real de cada ventaja (una barrera que se abre sola, la luz de las gradas automática, el riego por goteo programado) y explique 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) Rebata 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) Rediseñe el sistema para convertirlo en un sistema de lazo cerrado: dibuje el diagrama de bloques identificando claramente la consigna, la señal medida, el sensor necesario, el controlador, el actuador y el proceso.
3. c) Prediga y justifique cómo reaccionará cada uno de los dos sistemas si cae una tormenta imprevista de 30 l/m² justo a las 6:55.

En un condominio, 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) Justifique desde la teoría de sistemas de control por qué este temporizador actúa en lazo abierto y por qué resulta ineficiente ante situaciones reales opuestas (un vecino que tarda 3 minutos en subir con bolsas pesadas frente a otro que baja en 15 segundos).
2. b) Diseñe una solución con realimentación que resuelva ambos problemas. Especifique qué sensor o combinación de sensores emplearía, en qué ubicaciones estratégicas los colocaría para evitar «zonas ciegas» y cuál sería la lógica de apagado.
3. c) Prediga qué fallo podría experimentar su diseño si una persona permanece totalmente inmóvil en el descanso de la escalera buscando las llaves a oscuras, y proponga cómo programaría el controlador para evitar que se quede sin luz.

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

1. a) Evalúe críticamente la afirmación técnica del folleto: ¿es cierto que un termostato clásico de ruleta funciona en lazo abierto? Justifique si el cambio de aparato modifica la topología del lazo o si únicamente añade nuevas variables a la consigna.
2. b) Dibuje 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) Justifique 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) Rebata de forma justificada la afirmación del estudiante: explique la diferencia fundamental entre una «señal externa de activación» y una «señal de realimentación» en este cruce.
2. b) Dibuje el diagrama de bloques del semáforo actual identificando la entrada, el controlador y las salidas (tanto luminosas como acústicas).
3. c) Diseñe 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 añadiría, qué mediría y cómo variaría la temporización?

Le 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) Modele el cruce como un único sistema de control multivariable: explique 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) Suponga que un sensor de corriente detecta que la lámpara roja de la calle A se ha fundido. Analice el riesgo que esto supone e indique qué protocolo inmediato debe ejecutar la unidad de control en ambas calles.
3. c) Justifique técnicamente si ante un fallo 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) Demuestre la falsedad de esa afirmación proponiendo dos ejemplos de automatismos cotidianos: uno que trabaje en lazo abierto y otro en lazo cerrado. Justifique detalladamente la clasificación de cada uno a partir de la presencia o ausencia de realimentación.
2. b) Para el sistema de lazo abierto que usted ha propuesto, describa una perturbación externa concreta que provoque un funcionamiento defectuoso o un desperdicio de energía.
3. c) Diseñe 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.

Usted debe 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) Identifique los sensores necesarios y los actuadores que debe 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 %. Explique el conflicto operativo que surge si el bucle de temperatura y el bucle de humedad actúan de forma desacoplada y simultánea.
3. c) Diseñe 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.

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

1. a) Dibuje 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) Analice la respuesta del sistema cuando el carro enfrenta de forma imprevista una pendiente ascendente del 7 %: describa 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, justifique 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.