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 coche.

¿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 coche (una cuesta arriba).

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 coche, (c) un riego de jardín programado por horas y (d) el compresor de una nevera, 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 coche con control de velocidad automático 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.

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 frigorífico 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 ducharte ajustas el grifo 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 (el grifo mezclador) y una posible perturbación (alguien abre otro grifo de la casa). Razona por qué es un verdadero lazo cerrado aunque no haya electrónica por medio.

Analiza el sistema de calefacción de una vivienda con termostato: identifica la referencia, el comparador, el controlador, el actuador, el proceso, el sensor y la variable realimentada. Después, explica qué ocurre si el sensor se avería y marca siempre $10\ ^\circ\text{C}$, razonando por qué el sistema ya no regula.

Diseña un sistema en lazo cerrado para mantener la temperatura de un invernadero entre dos valores: describe su diagrama de bloques (nombrando cada bloque), elige el sensor y los actuadores (ventilador, calefactor, ventanas motorizadas) y explica cómo reacciona el sistema cuando hace demasiado calor y cuando hace demasiado frío.

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

Diseña un lazo cerrado para mantener el nivel de agua de un depósito con una boya o sensor de nivel, un controlador y una bomba: describe el diagrama de bloques (referencia, comparador, controlador, actuador, proceso, sensor) y analiza qué ocurre si la boya se atasca indicando «depósito vacío» estando lleno, proponiendo un elemento de seguridad adicional (una boya de rebosadero independiente).

El control de crucero adaptativo de un coche mantiene la velocidad y, además, la distancia con el vehículo de delante 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 delante se aparta de la vía.

La calefacción por suelo radiante tarda unos 30 minutos en notar un cambio de consigna (gran inercia térmica). Analiza qué problema de control produce ese retardo (el usuario sube la consigna, no nota nada y la sube más: sobrecalentamiento y oscilación) y cómo lo resuelven los termostatos modernos (anticipación y curvas de calentamiento programadas).

Un sensor de temperatura entrega lecturas con ruido (valores que saltan arriba y abajo). Analiza qué le ocurriría al actuador si el controlador reaccionara a cada lectura (arranques y paradas continuos, desgaste prematuro) y propón dos soluciones (filtrar o promediar las medidas, banda muerta en la comparación).

Un ayuntamiento 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), costes y qué modo de funcionamiento de reserva debe tener si un sensor falla (volver a tiempos fijos).