Ejercicios: Los sistemas de control

Explicá 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. Explicá qué hace cada una y poné 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.

Nombrá el eslabón que falta, explicá qué hace con la información que le llega de las entradas y describí un sistema de control completo de tu vida diaria identificando sus tres partes.

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

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

Compará una canilla que abrís y cerrás a mano con el termostato de la calefacción. Explicá 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) Decí cuál de los dos sistemas es de lazo abierto y cuál de lazo cerrado.

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

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

Decí si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justificá 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 consiguió; (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. Explicá 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.

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

Un semáforo clásico cambia por tiempo, sin saber si hay autos esperando. Explicá por qué es un sistema de lazo abierto, qué ocurre en un atasco o de madrugada y qué sensores agregarías para acercarlo a un lazo cerrado, describiendo el cambio de comportamiento.

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

Dibujá (describiendo bloque a bloque) el diagrama de una puerta de garaje automática: qué entrada la activa (control remoto 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?

Podés hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Reto del tema. Cuando regulás la temperatura de la ducha, vos mismo funcionás como un lazo de control. Analizá ese proceso y respondé:

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

1. b) Identificá la consigna: qué valor o referencia querés conseguir.

1. c) Identificá el actuador: qué parte de tu cuerpo modifica el agua que sale.

1. d) Identificá la realimentación: qué hacés después de actuar para comprobar el resultado y decidir si tenés que corregir otra vez.

1. e) Explicá qué pasa cuando alguien abre otra canilla de la casa mientras te duchás (por ejemplo, cambia la temperatura o el caudal del agua) y cómo reacciona el lazo de control para corregirlo.

Se valorará: que identifiques correctamente cada elemento del lazo, que lo relaciones con la ducha y que, en el apartado e), expliques la perturbación y la corrección que hacés.

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

Los automatismos aportan seguridad, comodidad y ahorro. Poné un ejemplo real de cada ventaja (una barrera que se abre sola, la luz de escalera automática, el riego por goteo programado) y explicá en uno de ellos qué ocurriría si el sistema fallara en el peor momento.

Un productor 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) Rebatí 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) Rediseñá el sistema para convertirlo en un sistema de lazo cerrado: dibujá el diagrama de bloques identificando claramente la consigna, la señal medida, el sensor necesario, el controlador, el actuador y el proceso.
3. c) Predecí y justificá cómo reaccionará cada uno de los dos sistemas si cae una tormenta imprevista de 30 l/m² justo a las 6:55.

En un edificio de apartamentos, la iluminación de la escalera se controla mediante un minutero: al pulsar un botón en cualquier piso, las luces permanecen encendidas exactamente 90 segundos.

1. a) Justificá 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) Diseñá una solución con realimentación que resuelva ambos problemas. Especificá 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) Predecí qué falla podría experimentar tu diseño si una persona permanece totalmente inmóvil en el rellano buscando las llaves a oscuras, y proponé 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) Evaluá críticamente la afirmación técnica del folleto: ¿es cierto que un termostato clásico de ruleta funciona en lazo abierto? Justificá si el cambio de aparato modifica la topología del lazo o si únicamente agrega nuevas variables a la consigna.
2. b) Dibujá 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) Justificá 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) Rebatí de forma justificada la afirmación del estudiante: explicá la diferencia fundamental entre una «señal externa de activación» y una «señal de realimentación» en este cruce.
2. b) Dibujá el diagrama de bloques del semáforo actual identificando la entrada, el controlador y las salidas (tanto luminosas como acústicas).
3. c) Diseñá 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, ancianos o personas en silla de ruedas). ¿Qué sensor añadirías, qué mediría y cómo variaría la temporización?

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) Demostrá la falsedad de esa afirmación proponiendo dos ejemplos de automatismos cotidianos: uno que trabaje en lazo abierto y otro en lazo cerrado. Justificá detalladamente la clasificación de cada uno a partir de la presencia o ausencia de realimentación.
2. b) Para el sistema de lazo abierto que propusiste, describí una perturbación externa concreta que provoque un funcionamiento defectuoso o un desperdicio de energía.
3. c) Diseñá 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.

Tenés que diseñar el sistema de control bioclimático de un invernáculo 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) Identificá los sensores necesarios y los actuadores que tenés que 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 %. Explicá el conflicto operativo que surge si el bucle de temperatura y el bucle de humedad actúan de forma desacoplada y simultánea.
3. c) Diseñá 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.