Sistemas de control y automatización: lazo abierto/cerrado, sensores, actuadores, PLC y robótica
El bloque de control y automatización evalúa la diferencia entre lazo abierto y cerrado, el ajuste de reguladores PID, la elección de sensores y actuadores, el ciclo de trabajo de un autómata programable y los fundamentos de robótica.
Lazo de control
- Lazo abierto: la acción no se corrige con la salida. Lazo cerrado: sensor → comparador (consigna − medida = error) → regulador → actuador → proceso, con realimentación.
- Función de transferencia: en serie G₁·G₂; en paralelo G₁ + G₂; con realimentación negativa, G/(1 + G·H).
- Prestaciones: sobreoscilación, tiempo de establecimiento, error en régimen permanente y estabilidad (Routh). Un sistema es estable si todos los polos tienen parte real negativa.
- PID: la acción P acelera la respuesta pero deja error permanente; la I anula el error estacionario y puede provocar oscilación; la D adelanta la fase y amortigua, pero amplifica el ruido.
Sensores, actuadores y autómata
- Sensores: final de carrera, inductivo (detecta metales), capacitivo (casi cualquier material), fotoeléctrico, Hall, encoder incremental o absoluto, termopar, PT100, galga extensométrica y ultrasonidos. Salidas normalizadas de 4-20 mA o 0-10 V.
- Actuadores: motor de continua, paso a paso, servomotor con encoder, cilindro neumático, electroválvula, contactor y variador de frecuencia.
- PLC: ciclo de scan (lectura de entradas → ejecución del programa → actualización de salidas), tiempo de ciclo, módulos de E/S, lenguajes ladder y de bloques, temporizadores TON/TOF, contadores y marcas.
- Robótica: grados de libertad, articulaciones prismáticas y de revolución, tipos (cartesiano, cilíndrico, esférico, SCARA, antropomórfico), cinemática directa e inversa, espacio de trabajo y efector final.
Ejemplo resuelto
Encoder incremental de 1 024 ppr en cuadratura acoplado a un eje.
- Cuentas por vuelta = 1 024 × 4 = 4 096.
- Resolución angular = 360/4 096 = 0,0879°.
- A 1 200 rpm = 20 rev/s, frecuencia de conteo = 20 × 4 096 = 81 920 Hz.
- Se necesita un módulo de conteo rápido: un ciclo de scan de 10 ms perdería pulsos.
Trampas que restan puntos
- Llamar lazo cerrado a un sistema sin sensor.
- Creer que la acción proporcional elimina el error permanente.
- Confundir precisión (dispersión de las medidas) con exactitud (cercanía al valor real).
- Mezclar pulsos y cuentas del encoder.
- Elegir un sensor inductivo para detectar una pieza de plástico.