Ejercicios: Lazo abierto y lazo cerrado

Explica con tus palabras qué es un sistema de control en lazo abierto y qué es uno en lazo cerrado, y pon un ejemplo cotidiano de cada uno que no sea el termostato.

Define qué es la consigna (valor de referencia) de un sistema de control y escribe cuál es la consigna típica de estos tres sistemas: la calefacción de una casa, el control de crucero de un auto y el refrigerador.

La figura muestra el diagrama de bloques de un sistema en lazo cerrado, pero falta el nombre de la señal que vuelve del sensor al punto de comparación (marcada con «?»).

1. a) Indica cómo se llama esa señal.
2. b) Explica qué información lleva y para qué se usa.

Relaciona cada término con su definición: (a) consigna, (b) error, (c) realimentación, (d) salida. Definiciones: (1) valor que se desea mantener; (2) diferencia entre el valor deseado y el valor real; (3) información sobre el estado real que vuelve a la entrada; (4) magnitud que el sistema controla.

Clasifica estos sistemas en lazo abierto o lazo cerrado y justifica cada respuesta: (a) tostadora de pan con temporizador, (b) aire acondicionado, (c) semáforo de tiempos fijos, (d) control de crucero de un auto, (e) riego de jardín con programador horario.

Verdadero o falso, justificando la respuesta con un ejemplo: «un sistema en lazo abierto corrige solo los errores que comete».

Explica qué es el comparador de un sistema en lazo cerrado: qué dos valores recibe y qué resultado entrega al controlador.

Un horno de barro se calienta con una resistencia de potencia fija y no mide nada. Indica qué elementos le faltan para funcionar en lazo cerrado y explica qué haría cada uno.

Un termostato está ajustado a una consigna de $22\ ^\circ\text{C}$ y la habitación está a $19\ ^\circ\text{C}$. Calcula el error que mide el comparador y describe qué hace el sistema hasta que el error se hace cero.

En un depósito, una boya flotante unida a una llave cierra la entrada de agua al llegar al nivel deseado. Identifica en ese sistema la consigna, el sensor, el comparador, el actuador y la variable controlada.

La figura muestra el lazo del control de crucero de un auto, con la consigna y la velocidad real indicadas. Calcula el error que falta, identifica qué elemento real hace de sensor y cuál de actuador, y explica qué orden dará el controlador.

Haz una tabla comparativa entre un ventilador de techo (lazo abierto) y un aire acondicionado (lazo cerrado) con dos ventajas y dos desventajas de cada uno, pensando en precisión, costo y consumo eléctrico.

Un riego por temporizador riega cada noche, llueva o no; otro sistema mide antes la humedad de la tierra. Indica qué lazo usa cada uno y explica dos problemas del primer sistema que el segundo evita.

Un lavavajillas ejecuta siempre el mismo programa, vaya lleno o medio lleno; una lavadora moderna pesa la ropa y ajusta el agua y el tiempo. Clasifica el lazo de cada aparato y razona qué ventajas aporta medir.

Una estufa eléctrica tiene tres posiciones de potencia y ningún sensor. Explica por qué trabaja en lazo abierto y describe dos cambios que la convertirían en un lazo cerrado.

Explica qué es una perturbación en un sistema de control e identifica la perturbación principal en estos lazos cerrados: (a) termostato con una ventana abierta en invierno, (b) control de crucero en una cuesta arriba, (c) llenado de un depósito con el desagüe abierto.

Observa el mecanismo de control de nivel de la figura. Se desea que el agua se estabilice a una altura mayor que la actual sin sustituir ninguna pieza.

1. a) Analiza el papel de la palanca pivotante (marcada con «?»): justifica cómo realiza físicamente la función de comparador entre la consigna y la medida real.
2. b) Diseña y justifica dos ajustes mecánicos posibles en el mecanismo (en la varilla, el flotador o el punto de apoyo) para elevar el nivel de llenado deseado.
3. c) Predice qué ocurrirá con el nivel de agua si el depósito sufre una fuga constante por el fondo menor que el caudal máximo de entrada (perturbación): ¿se vaciará, alcanzará exactamente el nivel deseado o se estabilizará ligeramente por debajo? Justifica la respuesta en términos de error y realimentación.

Un auto con control de crucero a $100\ \text{km/h}$ entra en una subida y su velocidad cae hasta $92\ \text{km/h}$ antes de recuperarse. Explica paso a paso qué ocurre dentro del lazo (medición, error, actuación) y razona por qué la corrección no es instantánea.

Diseña el lazo cerrado que mantiene el nivel de agua de una alberca entre dos marcas: define consigna, sensor, comparador, actuador y al menos dos perturbaciones que el sistema deberá compensar.

Un refrigerador es un lazo cerrado que mantiene unos $4\ ^\circ\text{C}$ en su interior. Si la puerta queda mal cerrada toda la noche, analiza qué le ocurre al error que mide el comparador, qué hace el compresor y qué consecuencias tiene para el consumo, el desgaste y los alimentos.

En la telemetría de un automóvil equipado con control de crucero se registran dos eventos en un tramo horizontal de autovía:

• Suceso 1: En $t = 20\ \text{s}$, el actuador incrementa la inyección de combustible de golpe; la velocidad pasa suavemente de $90\ \text{km/h}$ a $120\ \text{km/h}$.

• Suceso 2: En $t = 80\ \text{s}$, la velocidad cae repentinamente de $120\ \text{km/h}$ a $111\ \text{km/h}$; una fracción de segundo después el motor acelera hasta devolver la velocidad a $120\ \text{km/h}$.

1. a) Identifica razonadamente cuál de los dos sucesos corresponde a una perturbación externa (como una ráfaga de viento o un cambio de pendiente) y cuál a una modificación de la consigna por parte del conductor.
2. b) Explica en qué punto del diagrama de bloques entra la señal causante en cada caso y cómo evoluciona el error ($e = v_{\text{consigna}} - v_{\text{real}}$) en el instante inicial de cada suceso.
3. c) Predice qué habría ocurrido con la velocidad del vehículo en ambos sucesos si el vehículo no tuviera control de crucero (funcionando en lazo abierto con el acelerador en posición fija).

Un alumno afirma: «el lazo cerrado siempre es mejor». Matiza la frase con dos casos en los que el lazo abierto es la opción razonable (un microondas con tiempo fijo, una llave de lavabo) y explica el criterio que usaste para decidir.

El piloto automático de un velero está programado para mantener un rumbo constante de $090^\circ$ (Este). Durante una travesía con fuerte viento lateral del Norte, se analizan dos situaciones:

• Situación 1: El barco navega estable pero marcando un rumbo real de $094^\circ$, sin terminar de corregir nunca esos $4^\circ$ de desvío pese a que la brújula digital mide con total precisión.

• Situación 2: Tras sustituir el servomotor del timón en una escala, el mecánico invierte por error los cables de conexión del actuador (al ordenar virar a estribor, el timón gira a babor).

1. a) Dibuja o describe el diagrama de bloques del sistema identificando cada elemento (consigna, comparador, controlador, actuador, proceso y sensor) y señala exactamente en qué bloque incide el viento lateral.
2. b) Analiza la Situación 1: ¿por qué un lazo de control simple puede presentar este error permanente ante una perturbación constante? ¿Qué tendría que hacer el controlador con el timón para anularlo?
3. c) Predice razonadamente qué ocurrirá con la trayectoria del barco en la Situación 2 en cuanto una pequeña ola desvíe el rumbo $1^\circ$, justificando la respuesta a partir de los conceptos de realimentación positiva, negativa y estabilidad.

Puedes dibujar el diagrama en papel y adjuntar una fotografía.

Para cocer piezas de arcilla sin que estallen por tensiones térmicas, un horno eléctrico debe elevar la temperatura a un ritmo constante de $150\ ^\circ\text{C/h}$ hasta alcanzar $1,000\ ^\circ\text{C}$, mantener ese valor durante $2\ \text{h}$ y descender después a $100\ ^\circ\text{C/h}$.

1. a) Dibuja o describe la gráfica cualitativa temperatura-tiempo de la consigna y razona en qué se diferencia conceptualmente esta consigna de la de un termostato de calefacción doméstico.
2. b) Si el actuador del horno fuera un relé simple de tipo «todo o nada» (que solo conecta o desconecta las resistencias a máxima potencia), predice qué dificultades técnicas tendrá el sistema para seguir con precisión las fases de subida y bajada progresiva de temperatura.
3. c) Durante la fase de mantenimiento a $1,000\ ^\circ\text{C}$, se abre la puerta del horno durante $20\ \text{s}$ para inspeccionar una pieza. Explica la secuencia temporal de respuesta del lazo (evolución del sensor, signo del error y respuesta del actuador) desde que se produce la perturbación hasta que se restablece el equilibrio.