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jueves, 2 de junio de 2016

Tecnologías de control



Definimos como “proceso” a un conjunto de operaciones, simultáneas y/o secuenciadas, tanto humanas como tecnificadas, generalmente enmarcadas en un sistema, que tiene como fin la transformación de insumos en productos, ya sean éstos, materiales, energía y/o información, concretos o abstractos.

Cuando cortamos con tijera hacemos la fuerza de abrir y cerrar pero también vamos direccionando la misma para que siga un recorrido.
Existen dos acciones o fuerzas que se hacen, una que aplica la energía y ejecuta el trabajo final (acción de ejecución), y otra que actúa y modifica la de ejecución (acción de control).

En una mano robótica que opera en alguna industria o laboratorio, el “agarre” final de los dedos (acción de ejecución) es producto de todo un proceso de posicionamiento, generalmente bajo control de una computadora preprogramada (acciones de control).

Las acciones de control provienen de alguien o algo que tiene un “plan” o programa previo, a partir de un diseño, en un soporte material o virtual que llamamos genéricamente “memoria”.

En el caso de los humanos y los animales, tenemos sentidos con los cuales, a la vez que realizamos una acción, la vamos corrigiendo o ajustando, ya sea por medio de la vista, el tacto, el sonido, o incluso el olor, de acuerdo a una idea previa de nuestro objetivo. En máquinas automáticas o en robots industriales, el equivalente a nuestros sentidos son distintos tipos de sensores, cámaras, etc., para “ver” lo que va pasando y controlar que la acción esté bien realizada.

En algunos casos hay información que “vuelve” y actúa sobre la toma de decisiones.
Estas acciones pueden llegar a ser autónomas y totalmente automatizadas respecto del control de las personas, por lo cual los llamamos “procesos autorregulados”.
Además, como la información tomada de la acción “vuelve” para modificar la próxima acción, como en un círculo de causa y efecto, se denomina control por lazo cerrado (LC), siendo los otros modos de lazo abierto (LA).

Veamos esto en más detalle:

Sistemas de control simple, o “lazo abierto”
Llamamos sistema de control simple o de “lazo abierto”, cuando el operador de control (persona o dispositivo), opera sobre el actuador o sistema, en forma directa. Es el caso de un interruptor con una lamparita, un caño con una canilla y un lavatorio, una llave de paso o una hornalla de gas, etc.
En nuestro entorno cotidiano, estamos frente a sistemas de tipo técnico, que aunque simples, nos dan la posibilidad de vivir con mayor comodidad, y facilitan las tareas y las acciones. Ya sea con la electricidad, el agua o el gas, todos estos “fluidos” circulan por su medio de flujo correspondiente
(cables, caños, mangueras, en estos casos). Por lo tanto sobre todos estos flujos se puede operar, tanto en el “paso o no paso”, en el sentido de paso, o sea unidireccionalmente, o en el control por variación
progresiva de un flujo, según cual sea el tipo de sistema a controlar.
Para un sistema de tipo eléctrico simple, como el de una lámpara, el operador que utilizamos para controlar el paso del fluido eléctrico (de electrones), es un simple interruptor, (que separa o une dos partes metálicas conductoras interpuestas en un cable), y quien acciona ese operador, es generalmente una persona. La persona que interviene en un sistema de tipo técnico, ejerce a la vez tres tipos de acción: sensa una variable (a partir de una necesidad, como ser falta de luz, sed, frío, etc.) por medio de los sentidos; procesa esa información comparándola con una referencia mental del nivel deseado y decide una acción de control para lograr el efecto del sistema.




En un sistema de tipo automático, donde la persona ya no interviene directamente, esa triple acción es reemplazada por dispositivos técnicos acordes, que cumplen la función específica tanto de: sensores, procesadores o actuadores de control.


Sistemas de control por realimentación, o “lazo cerrado”

Si volvemos a los sistemas de lazo abierto y consideramos a la acción de la persona como parte del sistema, donde ésta sensa el estado de una variable que es resultado de la acción de algún dispositivo del sistema (como por ejemplo la luz ambiente), y en base a un valor deseado opera sobre la acción del mismo dispositivo (encender una bombilla), estamos ante la presencia de un sistema realimentado (con la persona incluida como parte). Es decir, el sistema completo, incluida la persona que lo
controla, ya no es del tipo de lazo abierto, sino de “lazo cerrado”, porque la información “vuelve” por medio de una acción sobre el sistema. En el esquema siguiente se representa este caso mediante un diagrama de bloques:
 
Si aplicamos este nuevo esquema al ejemplo anterior del gas o del agua, y si se tratara de una estufa, el usuario sensa que el ambiente está frío (respecto a una idea de temperatura deseada). Seguidamente abre la llave y enciende el fuego. Después de un tiempo, la temperatura sube y cambia el estado del ambiente que inicialmente se sensó; si la temperatura llega a ser excesiva, el usuario volverá a operar sobre el control para bajar la temperatura.
En los casos anteriores, hay un retorno de información desde el ambiente, sensado por la persona, y una modificación del estado del ambiente por parte del mismo sistema que la persona controla. Es lo que se llama, una realimentación. El sistema interviene en el medio y el medio modifica al sistema a través de la persona que controla, en una ida y vuelta. Por eso lo llamamos sistema de “lazo cerrado” (si consideramos a la persona o usuario como parte del sistema, aunque sea momentáneamente).
Pero, el lugar de una persona, puede ser suplantado por un dispositivo controlador automático, formado, como vimos antes, por un sensor, un procesador y un actuador de control, que actuará sobre el dispositivo de control del sistema, como por ejemplo una válvula de paso de gas. En consecuencia, el conjunto del sistema, ya sin la presencia de una persona que lo controla, será de lazo cerrado, es decir, realimentado, autorregulado.

Utilizando como herramienta gráfica un diagrama de flujo, podemos representar un modelo que dé cuenta de los distintos casos posibles de sistemas en los que hay algún tipo de sensor, ya sean en modo de lazo cerrado (autorregulado), o de lazo abierto abierto.

 
En base al diagrama, si tomamos como ejemplos un sistema de aire acondicionado, una plancha, una heladera, corresponden todos ellos al caso 4, porque, en estos casos, el sensor de temperatura sensa el efecto producido por el mismo sistema, activándolo o desactivándolo automáticamente, para mantener una temperatura constante. Y puede ser temperatura o cualquier otra variable física. 

Cuando se da la condición de tener sensores, pero ese sensor o sensores no modifican ningún parámetro de funcionamiento del sistema, (caso 3), sólo tienen sentido de ser si sirven para algún registro, visible o no, a los efectos de medición y control por parte de personas. Puede ser el
ejemplo de un automóvil, donde vemos las indicaciones de temperatura del agua, del nivel de llenado del tanque de nafta, velocidad, etc., pero que sólo son modificadas por el usuario, según su decisión.

Cuándo el sensor sí actúa en el sistema, pero no sensa un efecto del mismo, sino externo, (caso 2), estamos ante el ejemplo de una lámpara que es accionada por una célula fotoeléctrica, que activa la luz cuando oscurece. También es el caso de las que son activadas por un sensor de movimiento. O cualquier actuador, eléctrico, mecánico, fluídico, etc., que se activa por cualquier tipo de evento externo al sistema.

Finalmente, en el caso 1, estamos en presencia de cualquier sistema que es controlado por algo o por alguien, pero que no tiene sensores. En este caso la función de sensor y la actuación de control sobre el sistema son ejercidas por una persona que lo controla. También puede ser el caso de un sistema controlado automáticamente, sin sensor pero sí por algún tipo de programa de ejecución, como por ejemplo, las luces de un comercio que se apagan solas a medianoche, o cualquier otro dispositivo que
funcione con un temporizador, o por algún control de tiempos computarizado, como ser un semáforo o la secuencia programada en un lavarropas automático o microondas.

Ejemplo claro:

En el ejemplo del aire acondicionado, una vez que lo encendemos y ajustamos con el control remoto o manualmente la temperatura deseada, el mismo comienza a enfriar el ambiente. Cuando su sensor interno sensa la temperatura del aire de la habitación, una vez que esta alcanza ese valor deseado, el aparato desconecta la salida del frío (sólo sigue dando viento). Entonces lentamente la temperatura del ambiente vuelve a subir hasta determinado punto o “umbral”, en que se vuelve a activar el
aire frío. Esta secuencia se repite hasta tanto se apague el aparato. También estamos entonces, ante la presencia de una oscilación de la temperatura alrededor de un valor deseado. Todo esto sucede sin intervención humana, gracias simplemente a un sensor conectado a un dispositivo de control –en lazo cerrado–, en este caso de tipo electrónico, que lo activa y desactiva.
Este proceso se puede representar mediante otro tipo de diagrama, el diagrama de estados, que hace más claro este proceso. Podemos ver un ejemplo del mismo:


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