Sistema de control: Definición, tipos y más

Para todos esos momentos donde es necesario administrar una buena cantidad de información lo mejor es implementar un sistema de control, para que este nos ayude en esta tediosa labor y automatice algunos procesos pesados. Y es por eso que este artículo les vamos a contar todo al respecto.

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Sistema de control: Definición

Al referirse a un sistema de control se habla desde un punto de vista de la ingeniería y la informática. Estos sistemas consisten básicamente en un conjunto de elementos que tratan de ejecutar ciertas acciones para lograr tener el control sobre determinadas tareas.

Un sistema de control es capaz de administrar, dirigir y hasta ordenar el comportamiento de otros sistemas, todo esto con el objetivo de disminuir lo más posible las probabilidades de que ocurra un error, y de esta manera conseguir el mejor resultado posible en todos los casos.

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Estos sistemas de control cumplen tareas que por lo general serían realizadas por personas comunes, pero usarlos genera mejores resultados y nos ayuda a liberarnos de hacer estas tareas. Además, los sistemas pueden clasificarse en 2 tipos, uno que es dedicado a sistemas de lazo cerrado y otro que se dedica a los sistemas de lazo abierto.

Por otro lado, estos sistemas de control de lazo abierto no requieren conocer datos acerca de la salida y esta no afecta en su desempeño. Para el caso contrario, un sistema de control cerrado tiene la necesidad de saber cuál es la salida y sin ella no son capaces de ejercer el control.

¿Dónde se encontrar un sistema de control hoy en día?

Los sistemas de control actualmente son usados en diversas áreas, pero ciertamente uno de los mercados que más hace uso de un sistema de control, ya sea cerrado o abierto, son los industriales. Lo más común es utilizar estos sistemas para realizar procesos de producción, como puede ser la manipulación de alguna máquina o controlar algún equipo.

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En términos generales, se puede definir un sistema de control como el conjunto de maquinaria dirigida a manipular otros sistemas. Pues los sistemas de control tienden a estar compuestos por circuitos electrónicos, los cuales se encargan con programas a controlar los sistemas que les han sido asignados a manejar.

Principalmente, la gran ventaja de estos sistemas sobre la mano de otra humana es la alta probabilidad de éxito, debido a que cuando estas máquinas están bien programadas muy pocas veces llegan a cometer algún error.

Los objetivos

El objetivo principal de un sistema de control es ejecutar y cumplir una tarea, especialmente para la cual fue implantado. La probabilidad de lograr dicho objetivo puede variar dependiendo de la dificultad de la tarea, sus capacidades de control y la programación que tiene. De todas maneras, los sistemas de control requieren poseer estas dos misiones para cumplir completamente con el objetivo principal que tienen.

Estables e incorruptibles:

Principalmente estos deben estar programados con una fuerte estabilidad, una que no permite que se corrompa o perturbe por causa de algún error en sus archivos. Los sistemas de control que son débiles comúnmente ceden a la hora que se presenta alguna falla y no llegan a cumplir con la tarea que se les asignó.

Eficientes:

Al cambiar la tarea de una persona por una máquina, una de las mejoras más destacables es la eficiencia. Este sistema de control tiene que sea capaz de tener un criterio pre-programado, el cual no permita que se realice algún tipo de acción brusca que pueda afectar su trabajo. Entonces, básicamente estos deben saber escoger que tipo de decisión es la mejor para cumplir con el objetivo que tienen a cargo.

Clasificación de los sistemas de control

Para poder clasificar los sistemas de control hay que tener en cuenta que existen dos principales tipos, como mencionamos anteriormente, estos son los de lazo abierto y los que son de lazo cerrado. Esta separación va de la mano de la acción de control sobre la salida que nuestro sistema tenga objetivo de controlar.

A pesar de que si tienen el mismo objetivo e intentar conseguir cumplir las dos misiones previamente descritas, pues ciertamente hacer uso de un sistema de lazo cerrado puede ser muy diferente a utilizar uno de lazo abierto. Para que podamos escoger el mejor sistema para nuestro caso a continuación vamos a mostrar una descripción de ambos:

Sistema de control de lazo abierto

Este tipo de sistemas consiste en aquellos en los cuales la “salida” no posee ninguna clase de efecto sobre el sistema en sí, lo que puede traducirse como el hecho de no requerir o necesitar “retroalimentación” de salida para que el controlador pueda funcionar con normalidad.

Ejemplo de sistemas de control (abierto 1): Un claro ejemplo de este tipo de sistema de control pueden ser las lavadoras automáticas habituales, debido a que estas pueden ejecutar los ciclos de lavado teniendo en cuenta un tiempo para mantener el control del sistema. Este proceso es considerado un sistema de lazo abierto debido a que ya no requiere de los datos de salida, los cuales se definen en este caso con la limpieza de la ropa al finalizar los ciclos.

Ejemplo de sistema de control (abierto 2): Como segundo ejemplo de sistema de control abierto es el que tienen las tostadoras. Estas requieren medir cierta cantidad de pan para poder funcionar, pero no necesitan conocer a que punto va a ser tostado, en cambio se mide con tiempo.

Características de estos:

Facilidad de uso: Un sistema de control que está basado en el lazo abierto seguramente es mucho más sencillo de manejar y con un funcionamiento mucho más intuitivo que los sistemas de lazo cerrado.

Más vulnerabilidad ante perturbaciones: En cuanto a los sistemas de lazo cerrado es común que estos sean más débiles ante cualquier tipo de error, debido a que estos no son capaces de detectar sus fallos al no medir la salida de sus tareas. Dichas perturbaciones pueden ser físicas o se encuentran en su programación.

No se necesitan datos de salida: Para que los sistemas de lazo abierto no puedan llevar a cabo sus tareas, sencillamente se basan en cumplir su parte de la mejor manera. Esto quiere decir que, mientras consigan asimilar los datos de entrada van a poder funcionar sin importar los de salida.

Variada probabilidad de éxito: Estos sistemas pueden tener una muy alta probabilidad de éxito o una muy baja según la calidad de su programación. Si el sistema cuenta con una estructura fuerte es bastante probable que alcance su objetivo, no es así para el caso opuesto, ya que cuando está mal programado es más propenso a las fallas.

Sistema de control de lazo cerrado

Los sistemas de lazo cerrado tienen como objetivo base comparar un valor deseado con el objetivo, midiendo los datos obtenidos en la salida. Lo que significa que, estos son una clase de sistemas que tienen un control a base de retroalimentación, la cual le permite reaccionar de diferentes maneras dependiendo de los resultados. Fueron elaborados con la intención de reducir las fallas y acercarse lo más posible al resultado más favorable.

Ejemplo de sistema de control (Cerrado 1): Un ejemplo claro y conciso sobre estos sistemas de lazo cerrado serían los calentadores que usamos para regular la temperatura del agua, los cuales cuentan con la capacidad de realizar tareas, pero requiere que la salida les dé cierta información antes de accionar, con la intención de acercarse al mejor resultado posible y factible.

En este caso nosotros seriamos quienes deciden si el agua sale fría o si sale caliente, en estos casos, donde somos nosotros quienes tomamos dicha decisión el sistema de control continuará con la tarea teniendo en cuenta lo que se haya elegido.

Ejemplo de sistema de control (Cerrado 2): Un segundo ejemplo de este sistema de control cerrado desde el punto de vista empresarial y un poco más complejo pueden ser los reguladores de sensibilidad que se encuentran en un depósito. En estos, cuando se genera un movimiento de una “boya” se termina produciendo más o menos obstrucción en un chorro de aire o de gas.

Los sensores deben tener en cuenta los movimientos de la boya para activar en mayor o en menor medida el sistema de control sobre la válvula de paso, para abrirla más en cuanto se aproxime a su capacidad máxima para liberar presión.

Características principales de estos:

Complejidad: Lo más común es que estos estén diseñados y programados de manera compleja, con una gran calidad en el apartado de trabajo en su hardware y su software. Lo que significa que son sistemas sumamente competentes pero a su vez un poco difíciles de usar para aquellas personas que nos inexpertas o que desconocen el funcionamiento.

Gran número de parámetros: Antes de ser capaces de accionar, estos deben cumplir con ciertas condiciones, o también dependiendo de la situación y los parámetros que se cumplen se puede conseguir una respuesta que sea factible.

Se requieren datos de salida: Es necesario la información o los datos de la salida para compararlos con los datos que son requeridos desde la entrada. Pues si no se llegan a conseguir los datos de la salida el sistema se mantendrá en reposo hasta que consiga una respuesta.

Estabilidad: Estos son sistemas más fuertes y estables que los sistemas de control de lazo abierto. Al poder ejecutar una comparación de datos antes de actuar le permite adaptarse de mejor forma a las perturbaciones y responder mejor a las diferentes variaciones durante el cumplimiento de una labor asignada.

Historia de los sistemas de control

El inicio de los sistemas de control es muy antiguo, llegando a originarse ya casi en el comienzo de la civilización en sí. Las primeras ocasiones en que se llegó a conocer algunas aplicaciones basadas en un sistema de control fue en la antigua Grecia, cuando se descubrieron ciertos mecanismos que podía regular una plataforma que flotaba sobre el agua. Otro descubrimiento podría ser el reloj de “Ktesibius”, el cual fue elaborado aproximadamente cerca del año 250 AC.

El Ktesibius es considerado oficialmente como el primer elemento con un sistema de control aplicado para automatizar el proceso creado por el ser humano.

Ubicándonos en una época un poco más cercana a la nuestra, nos referimos a la Europa renacentista, específicamente en los siglos XV y XVI, época en la que vivió el inventor holandés “Cornelis Drebbel”, el cual fue el creador de miles de inventos, en los cuales está el primer sistema de control realimentado (Sistema de lazo cerrado). Su labor fue una incubadora, que tenía la capacidad de regular hasta cierto punto la temperatura.

A pesar de que esta fue un tremendo avance, al tratarse de una simple incubadora y no tener conocimiento alguno sobre lo importante que serían los sistemas de control en un futuro, en ese entonces dicho invento no tuvo la fama o el reconocimiento que se merecía.

Aparte de eso, Cornelis Drebbel conseguiría crear otro artefacto que usaría también sistemas de control y esta vez sí lograría ganarse la atención de todos. Aproximadamente en el año 1620 invento el primer submarino funcional, el cual hacia uso de un sistema de control mucho más optimizado, pero en esencia era el mismo que aplico para su incubadora, pues este requería de datos de salida para compararlos con los datos de entrada.

Época moderna

Durante el periodo inicial de la edad moderna también se alcanzaron avances sumamente útiles. En Francia el científico Denis Papin fue el encargado de elaborar el primer regulador de presión, un invento que hasta hoy en día sigue siendo muy usado. En su elaboración Papin deseaba estudiar el funcionamiento de las calderas y creando prototipos que mejorarán su control de pavor elaboró sin notarlo, los reguladores de presión.

Además, por otro lado también se puede mencionar el extraordinario trabajo de James Watt, un científico que consiguió llevar la realimentación automatizada un paso más adelante al crear el primer regulador de centrifugado exactamente en el año 1769.

Rusia también contó con sus propios aportes a los sistemas de control, ya que el inventor ruso I. Polzinov creo el primer sistema de control que se encargaba de regular los niveles de agua, usando un sistema mejorando así el que vimos en Grecia.

De igual forma, a lo largo de todo el siglo XIX prácticamente todos los sistemas de control contaban con la característica de ser intuitivos y además tener una gran facilidad de manejo, debido a que hasta ese entonces no se les había dado objetivos tan complicados.

A partir del siglo XX hasta hoy en día

El avance de la tecnología aportó en el desarrollo de los sistemas de control, y empezaron a crearse sus teorías para dar mayor validez a los sistemas y crear una rama científica dedicada a estudiarlos. El encargado de conseguir tal avance fue el científico J.C Maxwell, quien junto teorías matemáticas para asociarlas con el control de una ecuación diferencial.

Después de mucho tiempo de investigación, cerca del año 1868 consiguió demostrar sus teorías y logró aportar todo lo siguiente:

  • Concepto de estabilidad.
  • Modelos matemáticos sencillos.
  • Importancia de la acción integral.
  • Liberalización.
  • Estabilidad como problema algebraico.
  • Criterios de estabilidad.

Por último, la aportación importante final se originó en el año 1932, cuando el inventor Nyquist elaboró los sistemas telefónicos, creando un avance de los sistemas de control en un área sobre el cual no habían entrado. Para esto él usó un método muy sencillo, al determinar la estabilidad con un lazo cerrado en las líneas de teléfonos utilizando un senoidal de manera permanente.

Tipos de sistemas de control

Si hablamos de tipos de sistemas de control, hay que decir que existen diversos tipos y con el tiempo será posible que se agreguen muchos más, pero ciertamente es que hasta el momento estos se pueden agrupar en 2 principales grupos:

Creados por el hombre

En gran medida creados en base a los sistemas eléctricos con componentes electrónicos, estos suelen mantenerse en un estado permanente de captura, buscando señales del sistema que se encuentra bajo un estado de control.

Siempre y cuando consigan recibir señales el funcionamiento sigue las prescripciones sin inconvenientes, pero si llega a detectar alguna desviación del comportamiento natural, este usa sensores para intentar retomar la vía que tenía anteriormente.

Un claro ejemplo de este tipo de sistema de control pueden ser los termostatos, los cuales tienen la labor de captar señales de temperatura. En el momento en que la temperatura que consigue obtener aumenta demasiado o baja del rango requerido empieza un proceso de calefacción o de refrigeración para poder recuperar el equilibrio.

Entre los sistemas de control creados por el hombre ciertamente hay muchos más, como los siguientes a continuación:

Causalidad

Estos pueden ser causales o no causales, todo depende de que si el sistema tiene alguna relación causal entre las entradas y las salidas de datos. Lo que quiere decir que, si existe una relación de los datos obtenidos al terminar una tarea y los datos que pueden ser obtenidos en el futuro.

Por comportamiento

Según el tipo de comportamiento que tienen puede obtenerse 2 tipos diferentes de sistemas de control, estos son los lineales y los no lineales. Estos son decididos por la ecuación diferencial que define al sistema.

De tiempo

Los sistemas de tipo de tiempo varían de continuo a discreto, en función del tiempo que tenga el sistema. Los continuos usan ecuaciones diferenciales nombradas antes, además que su función es ejecutada en un tiempo infinitamente divisible. En cambio, los sistemas de tiempo discreto solo pueden ser divididos en los periodos que tengan un valor constante y bajo unas variables que sean digitales.

Variables

La variedad también puede generar distintos sistemas de control. Principalmente se pueden mencionar a los acoplados, estos sistemas que cuentan con una variable que se relacione con el de otro sistema ajeno. Y la segunda posibilidad son los sistemas desacoplados, en los cuales las variables no tienen ninguna relación con un sistema.

Evolutivos

Cuando hablamos de la evolución de las variables nos encontraremos dentro de otro grupo de tipos de sistemas de control. Aquí podemos nombrar los estacionarios, los cuales poseen variables que se mantienen frecuentes en el tiempo y sus características no varían. Además, tenemos a los no estacionarios, que tienen variables que pueden variar durante el tiempo y mostrar cambios.

Los sistemas de control automáticos

Son todos aquellos sistemas que se dedican al control de manera automática, gestionando procesos como si de disciplinas se tratará. Estos usan técnicas de control automatizadas para hacer tareas de una manera más rápida, eficaz e independiente. Mientras pasa el tiempo estos han crecido bastante y se han implementado generalmente en el mundo de las fábricas y las industrias.

La labor principal para la cual son elaborados es conseguir cierto valor deseado, para lo cual tienen que poseer cierta condición física, medir los datos de entrada y posteriormente compararlos con los datos de salida. Ya que estos son sistemas que están clasificados como sistemas de lazo cerrado, con el objetivo de disminuir las posibilidades de un error.

Una ventaja muy importante de este tipo de sistema es que puede funcionar completamente sin ayuda de la mano de obra del hombre, debido a que son capaces de realizar diferentes tareas de forma independiente.

Sistemas de control eléctrico

Se trata de todos aquellos sistemas que fueron creados a base de conexiones eléctricas, las que tienen como finalidad manejar entradas de cargas eléctricas de ciertas máquinas.

Dependiendo de la respuesta

La respuesta del sistema también se divide en los tipos de sistema de control, generalizándolos en estables e inestables. Primero están los estables, quienes pueden presentar una señal acotada en su salida, y por otro lado están los inestables, que producen entradas acotadas y al menos una respuesta no acotada.

Naturales

Un sistema de control natural es aquel que tiene un origen biológico y ha sido elaborado por la naturaleza sin influencia del hombre. Un ejemplo claro que todos podemos experimentar siempre son los movimientos que realiza el cuerpo del ser humano, algo que se hace posible gracias a un sistema biológico complejo que se encuentra en todo en todo nuestro cuerpo, desde los ojos hasta nuestros dedos.

De cierta manera, el sistema de control de toda nuestra biológica viene siendo nuestro cerebro, sirviendo como una central que envía señales a todo el cuerpo humano.

Conjuntos

Estos son una especie de función entre los sistemas de control biológicos y una herramienta externa. Para estos nos podemos encontrar con el ejemplo de una persona conduciendo un auto, siendo su cerebro, las manos y los ojos del humano el sistema de control y el carro sería la herramienta externa. Un ejemplo como este, también puede llevarse a otros ámbitos sin incluir a los humanos, como algún animal que use un objeto inanimado para poder ejecutar alguna tarea.

Como hemos visto, podemos encontrarnos con un sistema de control de muchas partes, y eso algo con lo que la humanidad ha vivido a lo largo de su historia.

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