Ejercicios: 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 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.

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

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 auto.

¿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 auto (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.

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.

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

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 auto, (c) un riego de jardín programado por horas y (d) el compresor de un refrigerador, que se conecta y desconecta solo.

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 auto con control de velocidad automático empieza a subir una pendiente. 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.

Un ventilador de techo se enciende y regula su velocidad con un mando 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 de la habitación.

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 altavoz).

El refrigerador 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).

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.

Al bañarte 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.

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 $[18.0\ ^\circ\text{C},\ 24.0\ ^\circ\text{C}]$. Dispones de 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.

Aunque el lazo cerrado regula mejor, hay aplicaciones donde se prefiere el lazo abierto. Analiza qué criterios (costo, simplicidad, fiabilidad, necesidad real de precisión) pueden decantar la decisión, y defiende con dos ejemplos reales cuándo NO compensa instalar sensores y retroalimentación.

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.

El control de crucero adaptativo de un auto mantiene la velocidad y, además, la distancia con el vehículo de adelante usando un radar. Analiza cómo conviven los dos lazos (cuál manda cuando entran en conflicto: la seguridad antes que la velocidad deseada) y qué ocurre cuando el vehículo de adelante se aparta de la vía.

Una instalación de calefacción por suelo radiante presenta un retardo de transporte y una inercia térmica notables: el calor tarda unos $45$ minutos en difundirse a través del forjado 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 marcha, 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 convertidor de frecuencia sufre interferencias electromagnéticas de alta frecuencia. El controlador del sistema, configurado con una consigna 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.

Un municipio estudia cambiar los semáforos de tiempos fijos por semáforos con sensores de tráfico (lazos inductivos bajo el asfalto). Evalúa la decisión: elementos del nuevo sistema (sensores, controlador, comunicaciones), ventajas (menos esperas cuando no hay tráfico), costos y qué modo de funcionamiento de reserva debe tener si un sensor falla (volver a tiempos fijos).