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Junio 2021

Dentro de los estudios de ingeniería electrónica, los procedimientos de control ocupan una gran parte del temario y se ha escrito una extensa literatura sobre el tema a lo largo de los últimos años. Pero no es el objetivo de este artículo profundizar en los detalles, sino introducir a los menos expertos en el concepto del lazo de control.

En nuestro día a día todos usamos lazos de control, aunque sea de forma inconsciente, en muchos aspectos de la vida cotidiana. Continuamente estamos controlando distintas magnitudes, ya sea la temperatura de la habitación, la velocidad del coche o la posición de un eje con motor lineal.

En todos estos casos tenemos una serie de conceptos que se repiten. Tenemos una magnitud que queremos controlar (temperatura, velocidad, posición, etc.); y un valor de referencia, por ejemplo, 22ºC, 50km/h o 356mm. Además, el sistema siempre incluye un actuador que nos permite incidir sobre la magnitud de salida, ya sea una simple válvula o una compleja placa electrónica, y algún elemento de medición para comprobar que el valor de la salida es el deseado.

Aclarados estos conceptos básicos de un sistema de control, podemos pasar al siguiente nivel, donde veremos qué es y cómo funciona un lazo de control.

Control en lazo abierto:

El control en lazo abierto se caracteriza por no incorporar un sistema de medición para evaluar el valor de salida, o que este existe pero no influye en el valor de entrada. La regulación se hace a partir de la experiencia o de los resultados de mediciones previas.

Para ejemplificar de forma gráfica esto, vamos a imaginar que tenemos un coche del que, por nuestra experiencia previa, sabemos que la velocidad de este va de 0 a 100km/h de forma proporcional a como presionamos el pedal del gas.

Queremos controlar la velocidad del coche. Esta será nuestra magnitud de salida. Y la velocidad de referencia en este ejemplo será de 50km/h, por lo que debemos presionar el pedal del gas (actuador) hasta la mitad de recorrido.

Control en lazo abierto

Con este mismo esquema, si presionamos el pedal del gas solo hasta una cuarta parte de su recorrido, la velocidad del coche será de 25km/h.

En el mundo industrial encontramos este tipo de control donde no se requiere una alta precisión en el valor de salida. Por ejemplo, podemos regular un motor asíncrono de una cinta transportadora con un variador de frecuencia. En este caso la velocidad del motor será proporcional a la frecuencia del voltaje que aplicamos al motor, pero no hay ningún elemento que verifique si la velocidad de giro es la correcta.

Podemos ampliar el esquema actual introduciendo un elemento de medición, un sensor que mida el valor de salida de nuestro sistema. En el caso del coche este sensor es el velocímetro que nos indica la velocidad real del coche.

 

Control en lazo abierto

Este sensor nos indica el valor real de la salida, pero, aunque este valor difiera de la referencia, no modifica automáticamente la entrada. En nuestro coche podríamos ver que la velocidad real es de, por ejemplo, 52km/h en lugar de los 50km/h deseados, pero no actuaríamos sobre el pedal del gas para corregirlo.

En la práctica, en el caso del motor asíncrono, el operario mediría la velocidad de la cinta transportadora y modificaría el valor de la referencia para ajustar la salida al valor real necesario. Pero a partir de ahí el sistema seguiría funcionando en lazo abierto, ya que, si algún elemento externo modifica la velocidad, el sistema de control no lo corregiría.

Control en lazo cerrado:

El control en lazo cerrado aparece ante la necesidad de corregir las desviaciones, de la salida frente a la referencia, de forma automática. Esto introduce un nuevo elemento en el sistema, un automatismo o procesador que se encargará de evaluar los valores del sensor y actuar en consecuencia.

En el ejemplo del coche este procesador sería el conductor. Estamos en el vehículo a una velocidad de 50km/h manteniendo el pedal del gas pulsado hasta la mitad, y vemos la velocidad real a través del velocímetro. Pero de repente viene una subida y, sin tocar nada, observamos que la velocidad del coche disminuye a 30km/h. A esta diferencia entre la referencia y el valor real le llamaremos error.

Control en lazo cerrado

Como estamos en un modelo de control en lazo cerrado automáticamente actuamos sobre el pedal del gas hasta observar que la velocidad es nuevamente de 50km/h.

Ya hemos corregido el error, pero, ¿cuánto hemos tardado?

Modelo de control en lazo cerrado

Tal como vemos en la imagen podemos presionar de forma constante el pedal, incrementando poco a poco en valor de la salida hasta llegar a los 50km/h, pero es una forma poco efectiva, ya que nos interesa reaccionar lo más rápido posible. Seguidamente veremos las formas que tenemos para mejorar este comportamiento hasta llegar al famoso PID, que explicamos aquí abajo.

Control proporcional – P:

Un pensamiento lógico para mejorar el tiempo de respuesta sería que si el error es muy alto podemos actuar con mayor magnitud (presionando el pedal más a fondo), y a medida que el error se reduce actuamos en menor medida.

Con el control proporcional usamos la información que tenemos del presente y aplicamos una corrección en función de esto. Medimos el error, lo multiplicamos por una constante P, y actuamos. En el siguiente instante medimos de nuevo el error (que será menor, pues ya hemos corregido una parte), lo multiplicamos por P y actuamos.

 

Control proporcional

Como vemos en la gráfica la corrección es mucho más rápida, pero nunca llegamos al error cero, ya que por muy bajo que sea este lo vamos a multiplicar por P para aplicar la corrección.

Cuanto mayor sea el valor de P menor será el tiempo de corrección. Pero no se puede subir infinitamente, ya que a partir de cierto valor la corrección que aplicamos en la salida superará el error anterior, llevando al sistema a inestabilidad.

Control integral – I:

Para poder reducir el error a cero se añade una componente integral al control proporcional.

Este control utiliza los datos pasados y dota de memoria al sistema. Del mismo modo que el control proporcional actúa en función del error actual, el control integral actúa en función del error que hemos acumulado.

Para aplicarlo al ejemplo del coche, se podría explicar del siguiente modo: Hemos conseguido corregir la velocidad de forma rápida de 30km/h a un valor cercano a 48km/h. Pero a partir de aquí el error es pequeño y a lo largo del tiempo vamos subiendo de forma muy lenta (48.3, 48.5, 48.6, …). En este punto es donde interviene el control integral, aplicando una corrección adicional que será pequeña si conseguimos reaccionar rápido; pero que será grande si el coche no consigue alcanzar los 50km/h en poco tiempo.

 

Control derivativo – D:

Este tipo de control añade otra componente a lo visto anteriormente, e intenta aportar una reacción a los datos futuros.

Básicamente observa como de rápido cambia el error. Si bajamos de 50km/h a 40km/h aplicará una corrección adicional X, pero si bajamos de 50km/h a 20km/h aplicará una corrección mayor.

Esto también se aplica mientras estamos corrigiendo el error. Vemos que el coche ha bajado de velocidad y lo corregimos presionando el pedal del gas, pero vemos que el error disminuye muy poco; entonces presionamos más fuerte el pedal. Y, si el error disminuye rápido, dejamos de aplicar esta presión adicional.

Uniendo los tres tipos de corrección anteriores tenemos un controlador PID, que se lleva usando desde principios del siglo pasado. Siendo vigente hoy en día con las mejoras tecnológicas que permiten una mayor capacidad y velocidad de cálculo; y aplicado a la gran mayoría de los automatismos actuales.

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¡Hasta la próxima!

El equipo Sinadrives.

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