Simulación y verificación de sistemas de control

Explicá qué es un simulador de circuitos o de robótica y dá dos ventajas de probar en él antes de hacer el montaje real.

Explicá la diferencia entre simular un circuito en la computadora y montarlo en una placa de pruebas real: qué se gana y qué se pierde con cada método.

Algunos simuladores permiten «acelerar el tiempo». Explicá qué ventaja tiene eso para probar el comportamiento de un termostato durante un día completo.

En el simulador tu programa funciona perfectamente, pero en el montaje real el motor no gira. Dá tres causas posibles que un simulador no detecta y explicá cómo comprobarías cada una en la mesa de trabajo.

En la simulación, el LED parpadea con ritmo perfecto, pero en el montaje real parpadea de forma irregular. Da dos causas eléctricas que el simulador idealiza (tolerancia de las resistencias, contactos flojos de la placa de pruebas) y cómo acotar cada una.

Escribí dos casos de prueba para un programa que hace sonar una alarma cuando se abre una puerta: qué entrada se simula y qué salida se espera en cada caso.

Un programa debe encender un ventilador cuando la temperatura supere los $26\ ^\circ\text{C}$. Definí tres casos de prueba (dato de entrada y resultado esperado) para verificarlo, incluyendo el valor límite de $26\ ^\circ\text{C}$, y justificá por qué ese último caso es importante.

Explicá qué es un «caso límite» al verificar un programa y por qué son tan importantes. Poné un ejemplo con un programa que decide si una nota es de aprobado a partir de 5.

Un programa cuenta las personas que entran en una sala (sensor A) y las que salen (sensor B). Diseñá tres casos de prueba pensados para cazar errores típicos: dos personas juntas, una que entra y sale seguida y un sensor que dispara dos veces por el rebote del contacto.

Explicá qué es una «prueba de estrés» de un sistema de control y proponé una para el programa de un estacionamiento: qué condiciones extremas simularías y qué comportamiento correcto esperás.

Un equipo verifica su programa solo en el «camino feliz», es decir, cuando todo sale bien. Explicá qué son los casos de error y escribí dos para un cajero automático de juguete (tarjeta no válida, saldo insuficiente).

Diseñá una tabla de verificación para un semáforo peatonal: estados (rojo, verde, ámbar intermitente), entradas (botón presionado, tiempo transcurrido) y la salida esperada en cada transición entre estados.

Un robot móvil utiliza un sensor de ultrasonidos frontal (rango útil: 2,0 cm a 400,0 cm) y debe detenerse y girar si detecta un obstáculo a menos de 20,0 cm. Diseñá una matriz de pruebas para verificar el código en el simulador antes de transferirlo al robot real. Tu plan debe contener al menos 4 casos de prueba distintos que incluyan valores frontera y anomalías de lectura. Para cada caso tenés que indicar: valor numérico simulado de entrada, comportamiento esperado de los motores y justificación técnica de por qué es imprescindible comprobar ese caso concreto.

Un invernadero cuenta con dos zonas de riego independientes (Zona A: semillero delicado; Zona B: cultivo general) gestionadas por un microcontrolador que recibe datos de dos sensores de humedad del suelo, un sensor digital de lluvia y un sensor de caudal en la tubería general. Diseñá un plan de verificación para simular el sistema antes de su puesta en marcha. Tenés que definir 5 casos de prueba exhaustivos que incluyan situaciones de conflicto de prioridades y fallos de suministro. Para cada caso detallá: entradas simuladas exactas, estado previsto de las electroválvulas y de las alarmas, y qué daño material o agronómico previene esa prueba.

El diagrama de flujo de la figura controla una luz automática que depende de un sensor (LDR), pero falta el contenido de un bloque. Indicá qué debería hacer ese bloque y describí qué hace el sistema cuando la lectura del sensor es 150 y cuando es 800.

¿Qué es un «fallo» o bug en un programa de control? Poné dos ejemplos sencillos (una condición escrita al revés, un umbral mal puesto) y el efecto que tendría cada uno.

En la simulación de un sistema de riego para una huerta escolar, programaste este bucle de control:

REPETIR SIEMPRE:

humedad = leer_sensor()

SI humedad < 30 % ENTONCES:

activar_electroválvula()

esperar(10 segundos)

desactivar_electroválvula()

FIN REPETIR

Al ejecutarlo en un simulador que modela la absorción física del agua con un retardo de infiltración de 2 minutos, la electroválvula se abre y cierra sin parar durante decenas de ciclos seguidos, encharcando el terreno.

1. a) Justificá por qué el programa genera este comportamiento en la simulación a pesar de incluir una instrucción explícita de desactivación.
2. b) Rediseñá el algoritmo (en pseudocódigo o diagrama de flujo) para solucionar el problema sin suprimir la lectura del sensor ni cambiar la electroválvula.

El sensor de luz de una persiana automática registra estos valores en un tramo de 6 minutos durante una tarde con nubes y claros:

• t = 0 min: 780 lx

• t = 1 min: 805 lx

• t = 2 min: 795 lx

• t = 3 min: 812 lx

• t = 4 min: 798 lx

• t = 5 min: 815 lx

• t = 6 min: 820 lx

El sistema tiene programada la regla simple: «Si luz ≥ 800 lx, bajar persiana; si luz < 800 lx, subir persiana».

1. a) Determiná cuántas órdenes de movimiento recibe el motor en ese intervalo y justificá qué consecuencias mecánicas y energéticas tiene este funcionamiento.
2. b) Diseñá una solución basada en doble umbral (histéresis) definiendo valores numéricos concretos para la orden de bajada y de subida, y demostrá paso a paso cómo responde tu solución frente a la misma serie de datos.

Explicá con tus palabras qué significa verificar un programa y en qué se diferencia de «probarlo un poco a ver si funciona».

Un equipo programa un robot transportador para un depósito. Al ejecutar el plan de pruebas en el simulador, el robot esquiva el 100 % de los obstáculos y frena ante cualquier persona, pero el algoritmo siempre resuelve las esquivas realizando la maniobra marcha atrás, recorriendo los pasillos en sentido contrario al flujo de trabajo del depósito. El profesor afirma: «El software está perfectamente verificado, pero el sistema no está validado».

1. a) Justificá técnicamente la afirmación del profesor aplicando las definiciones operativas de verificación y validación a este caso concreto.
2. b) Reformulá el pliego de requisitos técnicos del robot para garantizar que una futura verificación asegure también su correcta validación en el entorno de trabajo.

Explicá qué significa depurar un programa y nombrá una técnica sencilla para hacerlo en un simulador (ejecutar paso a paso, observar el valor de las variables).

Un robot rastreador se detiene de forma errática tras funcionar correctamente durante unos cinco minutos. Para diagnosticar el fallo, se activa el registro por puerto serie (log) y se extraen estas líneas clave antes de la parada:

• t = 295,0 s | Distancia: 35,0 cm | Temp_driver: 50,0 °C | V_batería: 7,4 V | Estado: AVANZAR

• t = 298,5 s | Distancia: 34,0 cm | Temp_driver: 78,0 °C | V_batería: 7,2 V | Estado: AVANZAR

• t = 300,0 s | Distancia: 35,0 cm | Temp_driver: 92,0 °C | V_batería: 6,1 V | Estado: PARADA_EMERGENCIA

1. a) Interpretá los datos del registro para determinar la causa física del fallo, rebatiendo el informe inicial del equipo que afirmaba que el fallo se debía a un defecto del sensor de ultrasonidos.
2. b) Diseñá qué variables adicionales o condiciones de alerta temprana deberías incluir en el registro y en el código de control para gestionar este problema de forma progresiva sin llegar a la desconexión abrupta.

Reto del tema. Climatización inteligente en tu hogar.

¿Sabías que automatizar la calefacción puede reducir drásticamente el consumo energético? Diseñá y validá un sistema eficiente para tu casa.

1. Datos y modelado: Consultá en la web de INUMET la previsión de temperaturas para las próximas $24\text{ h}$ en tu localidad. Compará en una tabla cómo respondería un sistema de lazo abierto (temporizador fijo) frente a uno de lazo cerrado (con retroalimentación), identificando para este último: sensor, controlador y actuador.

2. Diseño y simulación: Entrá en Tinkercad Circuits o MakeCode. Modelá un circuito con un sensor de temperatura, un microcontrolador y un actuador (LED o relé que represente la caldera). Programá el controlador para que active la calefacción si la temperatura baja de una consigna de $20,5\text{ }^\circ\text{C}$ y se apague al alcanzarla.

3. Verificación y propuesta final: Simulá cambios de temperatura ambiente para verificar que el sistema reacciona automáticamente. Redactá un informe breve en LibreOffice con capturas del montaje y un gráfico de las temperaturas de INUMET, justificando cuántas horas de encendido innecesario evita el lazo cerrado.

Se valorará:

• Identificación y distinción conceptual rigurosa de los elementos del lazo abierto y cerrado.

• Montaje, programación y verificación funcional del sistema simulado con la consigna dada.

• Justificación razonada del ahorro energético a partir de los datos meteorológicos reales consultados.