Control en lazo cerrado o lazo abierto. 6

En Ingeniería de Control, cuando se quiere analizar un sistema, lo primero que se hace es crear un modelo de dicho sistema en diagrama de bloques. Estos bloques representan las diferentes partes del sistema. Los bloques más comunes de los sistemas de control son Planta, Controlador y Perturbaciones y se relacionan entre ellos mediante flechas de flujo. Estos flujos pueden representar realimentación para el control en lazo cerrado o no tenerla, control en lazo abierto.

Los bloques de los modelos de control representan el modelo matemático de la parte correspondiente. En el caso de la Planta, representa el objeto de estudio o el elemento concreto que se quiere controlar. Puede ser desde un objeto complejo como un ascensor, una lavadora o un vehículo. O simplemente el motor que los mueve.

El Controlador representa nuestro diseño. Es el elemento de control, ya sea un PID, un filtro o cualquier otro. Es sobre el que debemos ejercer el análisis para determinar los cambios que hay que realizar a la señal de entrada para que la Planta responda según las especificaciones.

Las Perturbaciones son la representación matemática de los elementos externos que pueden interactuar con el sistema, viento, rozamiento, topes, etc. Pueden relacionarse en cualquier punto del sistema de control.

En el caso de ser un control en lazo cerrado con retroalimentación o feedback, suele añadirse a esta un bloque que suele definirse como Sensor y es el modelo de los elementos que devuelven la señal de salida al sistema para compararla con las especificaciones.

Una vez conocidas las principales partes del sistema de control, y que la diferencia entre control en lazo abierto y cerrado es la retroalimentación. ¿Qué es y que aporta esta?

Cuando el elemento a controlar simplemente debe realizar unos pasos, como podría ser un friegaplatos, que sigue un programa y no evalúa si los platos están o no limpios, podemos aplicar un control en lazo abierto. Solo debemos comprobar que el ciclo de lavado se cumpla, el resultado es indiferente.

Pero si el resultado importa, debemos analizarlo y corregir los errores en el sistema de control. Por esta razón recogemos la salida del sistema mediante los sensores y la comparamos con la deseada, dando la información de la diferencia al controlador para que la corrija. Y por lo tanto, más que la retroalimentación puramente dicha lo que caracteriza los sistemas de control en lazo cerrado es el control del error.

Por ejemplo, si estamos controlando un barco que debe llegar a un puerto y observamos que debido al oleaje, que seria una perturbación, el barco se esta desviando de la trayectoria, damos esta información al controlador para que corrija la fuerza y la dirección del barco para que llegue a buen puerto.

De esta manera, cuando se va a realizar el control de un sistema hay primero que decidir que tipo de control es más recomendable. Para ello debemos tener en cuenta las ventajas y desventajas de cada uno de los lazos.

El control en lazo abierto es fácil de construir y mantener, y por lo tanto de bajo coste y bajo consumo de potencia. Además los sistemas de control en lazo abierto no presentan problemas de estabilidad. Suelen ser muy rentables para sistemas sin salida o con salidas de difícil medida. Por contra, el sistema es muy sensible a perturbaciones y necesita constantemente ser recalibrado.

El control en lazo cerrado es casi inmune a las perturbaciones por la retroalimentación, que también hace que se puedan utilizar componentes menos precisos y baratos. Son necesarios más componentes que en el lazo abierto, por lo que consume más. Las perturbaciones crean inestabilidades y esta expuesto a la sobrecorrección de errores.

Así de primeras parece más rentable el control en lazo abierto, pero en el contexto de los modelos reales casi no hay sistemas que no estén expuestos a perturbaciones, por lo que los sistemas de control en lazo cerrado se hacen necesarios a pesar de ser más complejos.

Diseñar un control es lazo cerrado no es tan fácil como pintarlo. Además de las especificaciones del sistema, según el tipo de control que se quiera aplicar, ha de cumplir con una serie de requisitos. El más importante es el de la estabilidad del sistema, lo que requiere análisis detallados de estabilidad como por ejemplo los criterios de Nyquist, etc.

Un buen sistema de control ha de ser capaz de no verse alterado por ningún tipo de perturbación que pueda obligarlo a salirse de las directrices. Obtener esta estabilidad no es nada fácil. Requiere de mucho análisis, pruebas, correcciones y comprobaciones entre los modelos simulados y reales. Por esta razón los sistemas de control suelen ser complejos y costosos, pues no pueden reutilizarse. Cada sistema tiene su control.

Referencias:

• Ingeniería de control moderna. K. Ogata. Pearson