UNIDAD 2: SISTEMAS DE CONTROL

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1 UNIDAD 2: SISTEMAS DE CONTROL INTRODUCCIÓN CONTROL ELECTROMECÁNICO CONTROL ELECTRÓNICO CONTROL POR ORDENADOR INTRODUCCIÓN 1.1. Qué es el control automático? La tecnología de control, o control automático, estudia cómo hacer que las máquinas funcionen solas, sin la intervención humana. El control automático ha permitido automatizar la fabricación de muchos productos, evitando a las personas tareas repetitivas o peligrosas y haciendo que su producción sea más económica. Nuestra economía actual está basada en gran medida en la automatización. La tecnología de control incluye desde aplicaciones sencillas como temporizadores luminosos (rellanos, garajes, escaleras, etc.) hasta aplicaciones muy sofisticadas, como las máquinas expendedoras de billetes (tren, metro, etc) o refrescos, las actuales lavadoras, los robots industriales o los ordenadores de a bordo que controlan el funcionamiente del motor de los coches. Un sistema de control se define como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Hay dos tipos de sistemas de control automático: de lazo abierto y de lazo cerrado. Los sistemas de control de lazo abierto son sistemas de control que se caracterizan por carecer de sensores que informen al sistema del estado en el que se encuentra. El proceso automatizado se hace siempre igual sin poder comprobar si se hace correctamente. Ejemplos: la luz de una escalera, un semáforo, etc. Los sistemas de control de lazo cerrado son sistemas de control que se caracterizan por tener sensores que vigilan el proceso automatizado (por ejemplo, encender y apagar una farola en función de la luz ambiental o el sistema de cisterna que permite dejar de llenarla cuando el agua ha alcanzado una determinada altura). Dichos sensores controlan la salida del sistema e incluyen dicha información en la entrada del sistema. La wikipedia define la realimentación como un mecanismo por el cual una cierta proporción de la salida de un sistema se redirige a la entrada, con objeto de controlar su comportamiento. Lo que se ve en las capturas de pantalla son dos estructuras de control controlador actuador proceso entrada salida representadas mediante diagramas de bloques. Cada caja representa una parte del sistema, que recibe una señal de entrada, la procesa y devuelve una señal Sistema en lazo abierto de salida. En el caso de sistema en lazo abierto hay una entrada al elemento controlador, de este sale una señal al actuador que realiza una función. Este desarrolla un proceso que tiene un efecto (la señal de salida del sistema). El ejemplo de la luz de una escalera, la entrada la dispararía el pulsador, el controlador sería el circuito que cuenta el tiempo que debe estar encendido mientras saca una señal de control al actuador (la bombilla) mientras se realiza el proceso de iluminar la escalera.

2 entrada controlador actuador proceso realimentación sensor salida En el caso del control en bucle cerrado, tenemos un elemento más: la realimentación junto con la señal de salida. En el ejemplo de la luz de la farola, la entrada sería una señal de encendido; el controlador, un circuito que decida si hay que encender o no la luz EN FUNCIÓN DEL SENSOR que indica si hay que encender o no la luz. Si el controlador decide que hay que encender, envía una señal al actuador (en concreto, envía corriente eléctrica a la bombilla y se produce el proceso de iluminación de la calle. ACTIVIDAD 1: Indica cual de los siguientes sistemas son de lazo abierto o lazo cerrado Ejemplo 1 de sistema de lazo abierto: riego automático Un sistema de riego de un jardín es un ejemplo de sistema de control de lazo abierto. Está compuesto por los siguientes elementos: 1. El controlador: un programador de riego. Es el elemento del sistema que toma las decisiones de cuándo regar y durante cuánto tiempo. Básicamente es un temporizador electrónico, un circuito que enciende o apaga unos receptores al llegar a un tiempo determinado. Su componente más importante es un chip que tiene un reloj interno y memoriza las horas en las que hay que regar. 2. Uno o más actuadores: las electroválvulas. Son válvulas (como los grifos) que se activan eléctricamente de forma que al recibir una señal eléctrica del programador se abren y permiten el paso del agua por una tubería, llegando a los difusores, y dispersandola para que llegue a todo el césped. El sistema de control de un riego automático no tiene sensores y por lo tanto no hay realimentación (el controlador no recibe información sobre el proceso). Siempre funciona de la misma manera, riega a las mismas horas y durante el mismo tiempo, independientemente de si ha llovido, de si llueve en este momento o de si la tierra está ya suficientemente húmeda. Ejemplo 2 de sistema de lazo abierto: secamanos con pulsador Un secador de manos es una máquina bastante sencilla: en realidad no es más que una estufa eléctrica con ventilador. Está formado por los siguientes elementos: 1. El controlador: un circuito electrónico que se encarga de decirle al secador cuando tiene que pararse. 2. Un actuador: un relé que, cuando el controlador le envía una señal eléctrica, se cierra y deja pasar corriente eléctrica hacia el motor y la resistencia. El relé es el componente del automatismo de control que substituye al interruptor manual. En el sistema de control de un secador de manos de pulsador no hay sensores y por lo tanto no hay realimentación (el controlador no recibe información sobre el proceso que se está controlando). Un vez activado, el secador funcionará el tiempo que tenga programado, independientemente de si la persona que ha presionado el pulsador está todavía o no.

3 Ejemplo de sistema de de lazo cerrado: secamanos sin pulsador Los secadores que se encienden de forma automática tienen otro elemento que no tienen los secadores de pulsador: un sensor de presencia. Normalmente es un fotodiodo, un componente que es capaz de detectar luz. Cuando ponemos las manos debajo de uno de estos secadores, la luz invisible (rayos infrarrojos) que proviene de un componente electrónico llamado LED de infrarrojos rebota en nuestras manos y va a parar al sensor. Entonces el sensor envía una señal eléctrica hacia el controlador (un circuito electrónico), que pone en marcha el aparato. Los secadores sin pulsador disponen de un sistema de control de lazo cerrado y por lo tanto tienen realimentación. El proceso a controlar es si el usuario se ha ido. Si el sensor de presencia le informa de que "el usuario está todavía" el controlador mantendrá encendido el secador activando el relé. Si el sensor de presencia le informa que "el usuario se ha ido", el sistema de control verá que es igual que la consigna que tiene y apagará el secador desconectando el relé. ACTIVIDAD 2: Estudia los siguientes casos y establece cuales son los distintos elementos del sistema, según sea de lazo abierto o lazo cerrado: a) Tostadora de pan b)tensiometro electrónico c)escalera mecánica d)limpiaparabrisas automático CONTROL ELECTROMECÁNICO Es un sistema de control basado en la activación de dispositivos mediante el desplazamiento de piezas móviles como por ejemplo un programador de levas, un interruptor final de carrera o mediante relés. En el programador de levas, cada uno de los salientes que al girar accionan los contactos se llama leva. Mediante estos elementos podemos controlar el momento y el tiempo de activación de cada bombilla. Un interruptor de final de carrera se puede usar como controlador en sistemas automáticos para activar o desactivar otros dispositivos. Un relé está formado por una bobina y una lámina metálica móvil unida a unos contactos. Cuando hacemos pasar una corriente eléctrica por la bobina, esta se comporta como un imán y atrae la lámina, que a su vez cambia la posición de los contactos. Ejemplo: Cambio de sentido de giro de un motor Este sistema es parecido al que vimos del montacargas: abre y cierra la puerta de entrada de un garaje. El pulsador P debe estar colocado en el suelo a la entrada del garaje. Los dos finales de carrera deben estar colocados en cada uno de los extremos de la puerta. Si la puerta está cerrada, el final de carrera b está accionado y, por tanto, abierto: el motor estará parado. Cuando accionamos el pulsador, se activa el relé, el conmutador doble cambia de posición y el motor comienza a girar, hasta que la puerta haga contacto con el final de carrera a. Si dejamos de accionar el pulsador, el relé se Cambio de sentido de giro desactiva y el conmutador doble vuelve a su posición original, con lo que el motor cambia su sentido de giro; se detendrá cuando la puerta se cierre completamente, momento en que se acciona el final de carrera b.

4 Activación de un relé mediante un sensor En este caso necesitamos un transistor para proporcionar la corriente suficiente de activación del relé. Cuando incide luz sobre la LDR, su resistencia disminuye y permite que circule corriente por la base del transistor, con lo que tanto este como el relé se activan CONTROL ELECTRÓNICO El control electrónico se basa en el empleo de transistores y de circuitos integrados como amplificadores operacionales, también conocidos como comparadores (del cual, el LM 741 es el integrado más conocido). Los ejemplos más claros son aquellos que se basan en divisores de tensión como el circuito disparador de aire acondicionado o el robot polilla, que funcionan con un divisor de tensión y un Circuito disparador de aire acondicionado, implementado con un amplificador operacional, un divisor de tensión y un par Darlington Circuito seguidor de línea de luz, conocido como robot polilla, implementado con un divisor de tensión y un A.O. En este tipo de circuitos, a veces es necesario una etapa de potencia: un circuito que amplifique la señal que sale del comparador y que se conecta a la salida del circuito. Para ello se suele utilizar un relé, activado por un transistor, como se puede ver en el siguiente circuito.

5 Circuito activador de luz implementado con un divisor de tensión, un A.O., un transistor NPN y un relé CONTROL POR ORDENADOR El problema de los anteriores sistemas de control es que, para cambiar su funcionamiento, es necesario alterar el circuito. La solución para ello son los sistemas de control programado: son sistemas de control que utilizan dispositivos que puedan almacenar un programa en su interior y que se controlan mediante un ordenador. Dichos sistemas contienen un microprocesador, una memoria y entradas y salidas y son las tarjetas controladoras. La tarjeta controladora permite comunicar el ordenador con el robot que va a ser controlado. Mediante esta tarjeta, el ordenador obtendrá datos de los distintos sensores del robot y, a su vez, podrá activar sus motores, luces o cualquier otro actuador. La controladora se conecta a un puerto del ordenador (serie, paralelo o USB) como si fuera un periférico más. Contiene varias salidas y entradas, tanto digitales como analógicas: las entradas y salidas analógicas admiten múltiples valores; las digitales, sin embargo, solo pueden tomar los valores 0 o 1 Tarjeta Arduino UNO El programa o conjunto de instrucciones se almacenan en la memoria del ordenador y determinan el funcionamiento del sistema. Los programas se realizan mediante lenguajes de programación. Algunas controladoras utilizan lenguajes estandar como Basic, C o Logo, pero otras como Arduino utilizan su propio lenguaje de programación.