Ya en la Edad de Piedra se diseñaban los primeros dispositivos de la automatización, consistentes en trampas para cazar animales. En Grecia y Roma se construyeron distintos mecanismos para puertas, fuentes de agua, muñecos autómatas, etc. Después, en la Edad Moderna, se empezaron a automatizar molinos de trigo, telares, talleres de metal, carpinterías, etc.
En la actualidad, gracias a la introducción de los ordenadores, existen procesos industriales complejos que funcionan automáticamente. En el hogar existen muchas máquinas automáticas como la lavadora, el aire acondicionado, el ascensor, etc.
2.- Sistemas de Control
2.1.- ¿Qué es un Sistema de Control?
Un Sistema de Control es todo aquel que nos permite regular el funcionamiento de un mecanismo, una planta industrial, un proceso.
Un Sistema Automático de Control es un conjunto de componentes físicos conectados o relacionados de manera que regulen o dirijan su actuación por sí mismos, es decir, sin intervención de agentes exteriores -incluido el factor humano- corrigiendo además los posibles errores que puedan presentarse en su funcionamiento. En resumidas cuentas, en un Sistema de Control capaz de regularse a si mismo.
Según su naturaleza, podemos hablar de tres tipos de sistemas de control:
- Naturales: Son sistemas de control diseñados por la naturaleza, tales como la regulación de temperatura del cuerpo humano mediante la transpiración.
- Artificiales: Son sistemas diseñados por el ser humano. Por ejemplo los sistemas de calefacción de una habitación controlados por termostatos.
- Mixtos: Son sistemas en los que las personas alteran las condiciones del mismo en función de los resultados en cada instante. Por ejemplo el control de la temperatura del agua en una ducha mediante los grifos de agua frío o caliente.
2.2.- Partes de un Sistema de Control
Para analizar los sistemas que se encuentran a nuestro alrededor se debe representar el problema por medio del modelo de la Caja Negra, según el cual ni analizamos ni conocemos lo que sucede dentro de la caja sino solamente la respuesta de salida que nos muestra ante una determinada entrada. Definimos así tres elementos.
- Entrada: Es la excitación que se aplica al sistema de control desde una fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta.
- Unidad de Control: Interpreta las señales de entrada y , en función de ellas, controlan las salidas.
- Salida: Es la respuesta que proporciona el sistema de control.
- Perturbación: Son las señales no deseadas que influyen de manera negativa en el funcionamiento del sistema.
3.- Tipos de Sistemas de Control
3.1.- Sistemas de Bucle Abierto
Los sistemas de lazo abierto funcionan aunque la respuesta que produzca no se ajuste a lo esperado. Se trata de automatismos NO retroalimentados.
La exactitud del funcionamiento de estos sistemas dependerá de su calibración, que nos permitirá determinar por comparación con un patrón, el valor justo del parámetro. Se relaciona la señal de entrada con la de salida con el fin de obtener la exactitud deseada. Si la señal de salida no está acorde con lo deseado, hay que recalibrar la señal de entrada mediante un actuador o accionador manual.
La exactitud del funcionamiento de estos sistemas dependerá de su calibración, que nos permitirá determinar por comparación con un patrón, el valor justo del parámetro. Se relaciona la señal de entrada con la de salida con el fin de obtener la exactitud deseada. Si la señal de salida no está acorde con lo deseado, hay que recalibrar la señal de entrada mediante un actuador o accionador manual.
Un ejemplo es el Horno Microondas: Mediante los botones seleccionamos la potencia y el tiempo. Cuando metemos el alimento y cerramos la puerta, el microondas se pone en marcha según los parámetros programados. Cuando termina el tiempo, el horno se para aunque no se haya conseguido la temperatura deseada. Si no estamos de acuerdo con el resultado debemos modificar manualmente el tiempo o la potencia de cocción en el panel de calibrado.
Los sistemas de lazo cerrado funcionan en función de si respuesta que produzca se ajusta o no a lo esperado. Se trata de automatismos SI retroalimentados.
La retroalimentación consiste en tomar el valor de salida mediante un captador y compararlo continuamente con el valor de entrada de referencia. Si entre ellos hay alguna diferencia debe generarse una señal de error que actúe sobre un elemento regulador que altere el proceso hasta eliminar la diferencia de manera automática, sin intervención de otros agentes externos.
La retroalimentación consiste en tomar el valor de salida mediante un captador y compararlo continuamente con el valor de entrada de referencia. Si entre ellos hay alguna diferencia debe generarse una señal de error que actúe sobre un elemento regulador que altere el proceso hasta eliminar la diferencia de manera automática, sin intervención de otros agentes externos.
Un ejemplo sería el Aire Acondicionado: Una vez establecida la temperatura de la habitación, existe un termostato que actúa como elemento de control y que se encarga de conectar y desconectar el aire según los niveles que envía un sensor de temperatura que hay en el interior del aparato.
4.- Entradas: Sensores
4.1.- Sensores
Para incrementar la productividad, reducir costes y aumentar la seguridad de las industrias, se emplean sensores encargados de controlar el correcto funcionamiento de los procesos productivos que encadenan tareas repetitivas.
Estos sensores o captadores son dispositivos diseñados para recibir información externa y transformarla en una magnitud manipulable y cuantificable. Esta magnitud a medir puede ser la posición, la temperatura, la luminosidad, el contacto, etc.
En función de que sea o no sea necesaria una alimentación externa para captar dicha magnitud, tenemos:
- Sensores Activos: Generan señal sin necesidad de estar alimentados
- Sensores Pasivos: Necesitan una alimentación externa para captar la magnitud
4.2.- Sensores Habituales
- Sensores Táctiles: Pueden ser Sensores de Contacto (indican si hay o no hay contacto con algún objeto) o Sensores de Fuerza (miden el valor de la fuerza empleada en el contacto). De este tipo son los Sensores Mecánicos, que accionan un simple interruptor por acción de un elemento móvil (ascensor al final del recorrido o una puerta que se abre o se cierra).
- Sensores de Proximidad: Detectan objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor, para actuar en un determinado proceso u operación. De este tipo son los Sensores Magnéticos, que se cierran al aproximarles un imán o se abren al retirar dicho imán (alarmas de seguridad en puertas y ventanas).
- Sensores de Alcance: Se usan para medir la distancia entre un punto de referencia y el objeto ubicado en una zona determinada. Se emplean en robots para evitar obstáculos durante su desplazamiento autónomo.
- Sensores de Temperatura: Emplean resistencias variables cuyo valor varía en función de la temperatura. Pueden usarse resistencias PTC (resistencia aumenta cuando aumenta la temperatura) o resistencas NTC (resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura).
- Sensores de Humedad: Detectan un exceso o un defecto de humedad ambiente. Su funcionamiento se basa en el cambio de la resistencia eléctrica al variar el porcentaje de humedad. Se emplean en robots para evitar obstáculos durante su desplazamiento autónomo.
- Sensores de Ruido: Son sensores que emplean un micrófono para captar sonidos, y una resistencia variable para ajustar en que punto se activa o se desactiva el circuito.
5.- Elementos de Control
Los Elementos de Control son los encargados de regular el funcionamiento del sistema y enviar las órdenes a los actuadores en función de la información recogida de los sensores. Los sistemas automáticos disponen de una gran variedad de mecanismos de este tipo. Algunos de los más conocidos son:
Los Temporizadores:
- Son dispositivos que conectan o desconectan el sistema después de que haya transcurrido un tiempo determinado.
- Los semáforos, los hornos, etc., disponen de temporizadores.
- Todos son sistemas de lazo abierto.
- Los temporizadores pueden estar formados por relojes electromecánicos, relojes electrónicos o programadores electromecánicos rotativos de levas, como los que llevan las lavadoras.
Los Comparadores
- Como ya hemos visto, en los sistemas de lazo cerrado existe un elemento comparador en el circuito de retroalimentación
- Su trabajo consiste en recoger los parámetros físicos del medio con un sensor determinado y lo compara con un determinado valor preestablecido, informando a la unidad de control para que actúe en consecuencia.
- Estos comparadores pueden estar formados por un simple interruptor bimetal, sensible a la dilatación o por un circuito electrónico.
Los Programadores
- Se trata de dispositivos electromecánicos o electrónicos que regulan una o varias acciones del sistema.
- Es el cerebro del sistema de control.
- Suelen ir provistos de un microprocesador donde llevan grabado el programa de trabajo.
- Las lavadoras automáticas, lavavajillas, los semáforos y procesos industriales los llevan.
6.- Salidas: Actuadores
Los Actuadores son los elementos que permiten que el sistema automático realice las distintas acciones para las que está diseñado.
Bombillas o LED:- Permiten realizar un sistema automático que tenga que iluminar una zona determinada cuando llegue la noche (Farolas, pistas de aterrizaje, etc)
- También iluminan una zona cuando se detecte una persona en una zona normalmente oscura (Escaleras, trasteros, etc.).
- También permiten señalizar visualmente una acción (Alarmas, semáforos, etc.).
- Para ello se utilizan bombillas, lámparas, proyectores, focos o LEDs.
Motores Eléctricos:
- En determinados sistemas se requiere el desplazamiento de alguna parte del mismo (Robots, ascensores, puertas automáticas, impresoras, máquinas industriales, etc.).
- Para ello se utilizan motores de corriente contínua o servomotores.
Relés:
- Son actuadores que se comportan como interruptores o conmutadores, de manera que pueden conectar o desconectar ciertos circuitos eléctricos o electrónicos.
Accionadores Hidráulicos y Neumáticos:
- Permiten realizar desplazamientos lineales en situaciones donde se requiera mucha fuerza (Elevadores, maquinaria de obra, atracciones de feria, etc.)
7.- Aplicaciones de los Sistemas de Control
En la actualidad, los sistemas automáticos de control desempeñan un papel importantísimo, en especial en lo que se refiere a una mejora de la calidad de vida en múltiples campos a saber:
- Procesos Industriales: mantener controlado todo un sistema productivo repercute favorablemente en la calidad del producto obtenido. Se puede aumentar la cantidad y la calidad de producción y reducir los costes.
- En los Hogares: los sistemas automáticos de control mejoran considerablemente la calidad de vida de las personas en sus propios hogares, por ejemplo en el control de lavadora o la domótica.
- Avances Científicos: Muy significativo es el avance en las misiones espaciales Apolo o las misiones no tripuladas a distintos planetas del Sistema Solar, imposibles de realizar sin la automatización.
- Avances Tecnológicos: El campo de aplicación es amplísimo. Por ejemplo los limpiaparabrisas inteligentes para vehículos o los despertadores que se activan al detectar síntomas de sueño en el conductor, evitando así posibles accidentes.
