Diseño de Sistemas de Control

Diseño

   
      El  diseño de sistemas de control es un ejemplo específico de diseño de ingeniería. Otra vez, el objetivo del diseño en ingeniería de control es obtener la configuración, especificaciones e identificación de parámetros claves de un sistema propuesto para satisfacer una necesidad real.

     

     El primer paso en el proceso de diseño consiste en establecer los objetivos del sistema. Por ejemplo, se puede decir que el objetivo es controlar la velocidad de un motor de manera precisa.

     El segundo paso es identificar las variables que se desean controlar (por ejmplo, la velocidad del motor).

   El tercer paso es escribir las especificaciones en función de la precisión que se debe alcanzar. Esta precisión de control requerida conducirá entonces a la identificación de un sensor para medir la variables controlada.

     Como diseñadores, hay que proceder al primer intento para configurar un sistema que tenga el comportamiento de control deseado. La configuración del sistema normalmente consistirá en un sensor, el proceso bajo control y un controlador.

     El siguiente paso consiste en identificar un candidato para el actuador. Esto dependerá, por supuesto, del proceso, pero la actuacióne escogida debe ser capaz de ajustar de forma efectiva el comportamiento del proceso. Por ejemplo, si se desea controlar la velocidad de rotación de un volante, se seleccionará un motor como el actuador. El actuador en este caso, deberá ser capaz de medir de manera precisa la velocidad. Se obtiene entonces un modelo para cada uno de estos elementos.

     El paso siguiente es la selección de un controlador, que con frecuencia consiste en una amplificador de suma que comparará la respuesta deseada y la respuesta real, para luego transferir esta señal de medida de error a un amplificador.

     El paso final en el proceso de diseño es el ajuste de los parámetros del sistema con el fin de lograr el comportamiento deseado. Si se puede conseguir el comportamiento deseado ajustando los parámetros se finalizará el diseño y se procederá a documentar los resultados. Si no es así, se necesitará establecer una nueva configuración del sistema y quizás seleccionar un actuador y un sensor mejor. A continuación se repetirán los pasos del diseño hasta que se cumplan las especificaciones o hasta que se decida que éstas son demasiado exigentes y deberían reconfigurarse.

     En resumen, el problema de diseño dek controlador consiste en lo siguiente. Dado un modelo del sistema que se desea controlar (incluyendo sus sensores y actuadores) y un conjunto de objetivos de diseño, encontrar un controlador apropiado o determinar si no existe ninguno. Como sucede en la mayoria de los diseños en ingeniería, el diseño de un sistema de control con realimentación es un proceso iterativo y no lineal.

     Un buen diseñador debe considerar los fundamentos físicos de la planta que está bajo control, la estrategia de diseño del control, la arquitectura del contolador (esto es, qué tipo de controlador se va a emplear) y estrategias eficaces para la sintonía del controlador. Además una vez finalizado el diseño, el controlador se implementa con frecuencia en hardware por lo que pueden aparecer problemas de comunicación de dicho hardware. Cuando se consideran conjuntamente, estas diferentes fases del diseño de los sistemas de control hacen que la tarea de diseñar e implementar un sistema de control resulte bastante ardua.

Ejemplo de diseño

     Muchos dispositivos modernos utilizan una mesa giratoria para rotar un disco a velocidad constante. Por ejemplo, un reproductor de DVD, una unidad de disco de un computador y un tocadiscos requieren todos una velocidad constante de rotación a pesar del desgaste y variaciones del motor y otros cambios de sus componentes.
     El objetivo es diseñar un sistema para el control de velocidad de una mesa giratoria que asegure que la velocidad real de rotación está dentro de un procentaje especificado de la velocidad deseada. Se considerará un sistema sin realimentación y un sistema con realimentación.

     Para obtener la rotación del disco, se selccionará un motor cc como el actuador ya que proporciona uan velocidad proporcional al voltaje aplicado al motor. Para voltaje de entrada al motor, se selecionará un amplificador que pueda proporcionar la potencia requerida.

     En la figura se muestra el sistema en lazo abierto (sin realimentación). El sistema emplea una batería para proporcionar una tensión que es proporcional a la velocidad deseada. Este voltaje se amplifica y se aplica al motor.

Lazo abierto

     Para obtener un sistema realimentado con la forma general, se necesitará seleccionar un sensor. Un sensor útil es un tacómetro que suministra un voltaje de salida proporcional a la velocidad de su eje. Así el sistema con realimentación en lazo cerrado toma la forma que se muestra a continuación.

Lazo cerrado

      El voltaje de error se genera por la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje del tacómetro.
     Es de esperar que el sistema con realimentación sea superior al sistema en lazo abierto, ya que el sistema a lazo cerrado responderá a errores y operará para reducirlos. Con componentes de precisión, se podría conseguir reducir el error del sistema con realimentación a una centésima del error del sistema a lazo abierto.

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