Ejercicios: 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 le dé a 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 mando a distancia.

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 bombilla, 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 acción (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) Di 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) Pon 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 habitación.

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.

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».

Un semáforo clásico cambia por tiempo, sin saber si hay carros esperando. Explica por qué es un sistema de lazo abierto, qué ocurre en un embotellamiento o de madrugada y qué sensores agregarías 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.

Dibuja (describiendo bloque a bloque) el diagrama de una puerta de garaje automática: qué entrada la activa (mando o sensor), qué hace la unidad de control, qué salida mueve la puerta 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.

Cuando regulas la regadera, tú eres el lazo de control. Identifica en ese proceso el sensor (tu piel), la consigna (la temperatura que te gusta), el actuador (tu mano en la llave) y la realimentación (volver a probar el agua), y explica qué pasa cuando alguien abre otra llave de la casa.

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 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 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: «He programado 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 una comunidad de vecinos, la iluminación de la escalera se controla mediante un minutero: al pulsar un botón en cualquier planta, 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 (un vecino que tarda 3 minutos en subir con bolsas pesadas frente a otro que baja en 15 segundos).
2. b) Diseña una solución con realimentación que resuelva ambos problemas. Especifica qué sensor o combinación de sensores emplearías, en qué ubicaciones estratégicas los colocarías para evitar «zonas ciegas» y cuál sería la lógica de apagado.
3. c) Predice qué fallo podría experimentar tu diseño si una persona permanece totalmente inmóvil en el descansillo 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: «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) 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.

Diseña el diagrama de bloques completo de un cruce peatonal con botón: entrada (el botón), unidad de control con sus tiempos (espera, amarillo, rojo, verde peatonal) y salidas (luces para autos, luz y zumbador para peatones). Explica por qué sigue siendo de lazo abierto aunque tenga entrada, y qué sensor lo haría de lazo cerrado.

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 lámpara roja de la calle A se ha fundido. 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 un fallo grave de la unidad de control es más seguro que el circuito de hardware conmute a ámbar intermitente en todas las direcciones o a rojo fijo en todas las direcciones, teniendo en cuenta la fluidez del tráfico y el código de circulación.

«Automático» y «lazo cerrado» no son lo mismo. Defiende esa frase con dos ejemplos: un automatismo sin realimentación (un aspersor por horario, que riega aunque llueva) y uno con realimentación (una llave con sensor que corta al retirar las manos). ¿Qué hace falta añadir a lo primero para cerrar el lazo?

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.

Analiza el control de crucero de un auto (mantiene la velocidad fijada): identifica consigna, sensor, actuador y retroalimentación, explica qué hace el sistema al subir una pendiente (acelera más para no perder velocidad) y por qué el conductor debe poder anularlo al instante.